Обнаружен процесс создания и разрушения фононов

0 1 293

Фононы представляют собой дискретные единицы колебательной энергии, предсказанные квантовой механикой, которые соответствуют коллективным колебаниям атомов внутри молекулы или кристалла. Когда такие колебания производятся светом, взаимодействующим с материалом, колебательная может передаваться между отдельными фононами и отдельными пакетами световой энергии, фотонами. Этот процесс называется эффектом Рамана.

В новом исследовании лаборатория Кристофа Галланда в Институте физики EPFL разработала методику в реальном времени и при комнатной температуре процесс создания и разрушения отдельных фононов, открывая захватывающие возможности в различных областях, таких как спектроскопия и квантовых технологий.

Новый метод использует ультракороткие лазерные импульсы, которые являются вспышками света, которые сохраняются менее 10-13 секунд (доля триллионной доли секунды). Во-первых, один такой импульс идет на кристалл алмаза, чтобы возбудить в нем один фонон. Когда это происходит, партнерский фотон создается на новой длине через эффект Рамана и наблюдается со специальным детектором, предвещая успех этапа подготовки.

Во-вторых, чтобы опросить кристалл и исследовать вновь созданный фонон, ученые запускают еще один лазерный импульс в алмаз. Благодаря другому детектору они теперь записывают фотоны, которые поглощают энергию вибрации. Эти свидетельствуют о том, что фонон все еще жив, а это означает, что кристалл все еще вибрирует с точно такой же энергией.

Это сильно противоречит нашей интуиции: мы привыкли видеть, что вибрационные объекты постепенно теряют свою энергию с течением времени, как гитарная струна, которой исчезает. Но в квантовой механике есть «все или ничего»: кристалл либо вибрирует с определенной энергией, либо находится в состоянии покоя. Таким образом, распад фонона во времени наблюдается как уменьшение вероятности нахождения его в возбужденном состоянии, а не перехода в состояние покоя.

Смотрите также  Новый взгляд на нарушение симметрии и нейтронные звезды

Благодаря такому подходу ученые смогли восстановить рождение и смерть одного фонона, проанализировав выход двух фотонных детекторов. «На языке квантовой механики акт системы после первого импульса создает четко определенное квантовое состояние фонона, которое исследуется вторым импульсом», — говорит Кристоф Галланд. «Поэтому мы можем отобразить распад фононов с очень точным временным разрешением, изменив временную задержку между импульсами от нуля до нескольких триллионов доли секунды (10-12 секунд или пикосекунд)».

Новая техника может быть применена ко многим различным типам материалов: от объемных кристаллов до отдельных молекул. Метод также может быть усовершенствован для создания более экзотических вибрационных квантовых состояний, таких как запутанные состояния, где энергия «делокализирована» по двум колебательным модам. И все это может быть выполнено в условиях обычной окружающей среды, подчеркивая, что экзотические квантовые явления могут возникать в нашей повседневной жизни — нам просто нужно очень быстро наблюдать.


Больше информации: Mitchell D. Anderson et al, Two-Color Pump-Probe Measurement of Photonic Quantum Correlations Mediated by a Single Phonon, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.233601 

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x