Когда гитарная струна щипается, он вибрирует, как и любой вибрирующий объект, поднимаясь и опускаясь, как волны, как и законы классической физики предсказать. Но по законам квантовой механики, которые описывают как физика работает на атомарном уровне, вибрации должны вести себя не только как волна, но и как частицы. Той же струнной гитаре, когда наблюдается на квантовом уровне, должны вибрировать как отдельных единиц энергии, известных как фононы.
Теперь ученые из Массачусетского технологического института и Швейцарского федерального технологического института впервые создан и соблюдается Единая фононов в распространенный материал при комнатной температуре.
До сих пор, один фононов наблюдаются только при температурах ультрахолодных и в точно инженерии, микроскопических материалов, что исследователи должны зонда в вакууме. В отличие от этого, команда создала и наблюдали один фононов в кусок алмаза, сидя на открытом воздухе при комнатной температуре. Результаты, пишут исследователи в статье, опубликованной сегодня в «физическое обозрение» х, “принеси квантовое поведение ближе к нашей повседневной жизни”.
“Существует дихотомия между нашим повседневным опытом, что такое вибрация — волна — и что квантовая механика говорит нам, что это должно быть — частица”, — говорит Vivishek Судхир, постдок в Институте Кавли Массачусетского технологического института астрофизики и космических исследований. “Наш эксперимент, потому что он ведется на весьма ощутимые условия, нарушает эту напряженность между нашей повседневной жизни и то, что физика говорит нам, должно быть.”
Технику разработали теперь можно использовать для зонда других распространенных материалов для квантовых колебаний. Это может помочь исследователям характеризовать атомные процессы в солнечных элементах, а также определить, почему некоторые материалы сверхпроводящие при высоких температурах. С инженерной точки зрения, техника в команде могут быть использованы для выявления общих фонон-переноски материалов, которые могут сделать идеальный межблочных кабелей или линий передачи, между квантовых компьютерах будущего.
“Наша работа означает, что теперь мы имеем доступ к гораздо более широкой палитрой систем на выбор”, — говорит Судхир, один из ведущих авторов газеты.
Соавторы Судхир являются Сантьяго Тарраго Велес, Килиан Зейбольд, Нильс Kipfer, Митчел Андерсон, и Кристоф Галланд, Швейцарского федерального технологического института.
“Демократизация квантовой механики”
Фононы, отдельные частицы вибрации, описанные квантовой механикой, также связаны с жарой. Например, когда кристалл, сделанный из упорядоченной решетки из атомов, нагревается с одного конца, квантовая механика предсказывает, что тепло проходит через кристалл в виде фононов, или индивидуальных колебаний связей между молекулами.
Один фононов было чрезвычайно трудно обнаружить, в основном из-за их чувствительности к теплу. Фононы восприимчивы к любым тепловой энергии, которое превышает их собственный. Если фононы являются по своей сути мало энергии, то воздействие более высоких тепловых энергий может спровоцировать материала для возбуждения фононов скопом, делая обнаружение единичного фотона иголку в стоге сена начинании.
Первые попытки наблюдать один фононов сделал это с материалами, специально разработаны для гавани очень мало фононов, при относительно высоких энергиях. Тогда эти исследователи погрузили материалы в почти абсолютный нуль холодильники Судхир описывает как “жестоко, агрессивно, холодно,” чтобы гарантировать, что окружающие тепловой энергии ниже, чем энергия фононов в материале.
“Если это так, то [фонон] вибрация не может брать энергию от тепловых условий для возбуждения более чем одного фонона”, — объясняет Судхир.
Затем ученые выстрелили импульс фотонов (частиц света) в материал, надеясь, что один фотон будет взаимодействовать с одним фононом. Когда это произойдет, фотона, в процессе, известном как комбинационного рассеяния, должны отражать обратно на другой энергией, сообщаемой ему взаимодействующих фононов. Таким образом, исследователям удалось обнаружить хоть один фононов, при температуре ультрахолодных, и в тщательно разработанных материалов.
“То, что мы сделали здесь, чтобы ответить на вопрос, Как избавиться от этой сложной обстановке, которую вы создали вокруг этого объекта, и довести этот квантовый эффект в наших условиях, чтобы увидеть его в более распространенные материалы”, — говорит Судхир. “Это как демократизация квантовая механика в некотором смысле”.
Один на миллион
Для нового исследования, команда выглядела на бриллиант в качестве испытуемого. В алмазе, фононы, естественно, работают на высоких частотах, в десятки терагерц — так высоко, что при комнатной температуре энергия одного фонона выше, чем окружающие тепловой энергии.
“Когда этот кристалл алмаза сидит при комнатной температуре, движения фононов не существует, потому что нет энергии при комнатной температуре, ни к чему волновать”, — говорит Судхир.
В этом колебательно-тихо смеси фононов, исследователи, направленных для возбуждения только одного фонона. Они послали высокой частоты лазерных импульсов, состоящих из 100 миллионов фотонов, каждый, в алмаз — кристалл, состоящий из атомов углерода — на всякий случай, что один из них будет взаимодействовать и отражать от фононов. Тогда команда будет измерять уменьшилась частота фотона, вовлеченные в конфликт, — подтверждение, что она действительно нащупали фонон, хотя эта операция не удастся ли различить один или несколько фононов были рады в этом процессе.
Чтобы расшифровать число возбужденных фононов, исследователи отправили второй лазерный импульс на алмаз, как энергия фононного постепенно заглохло. Для каждого фононов, возбуждаемых первого импульса, второй импульс может возбудить его, отбирая эту энергию в виде новых, более высоких энергий фотонов. Если изначально возбуждается только один фонон, то один новый, более высокий-частота фотона должна быть создана.
Чтобы подтвердить это, исследователи поместили полупрозрачного стекла, через которое эта новая, более высокие частоты фотона будет выход алмаза, вместе с двумя детекторами по обе стороны стекла. Фотоны не расщепляются, так что если несколько фононов были в восторге, потом де-возбуждена, в результате фотоны должны пройти через стекло и разлетаются хаотично в обоих детекторов. Если только один детектор “щелкает”, указывая на обнаружение единичного фотона, команда может быть уверена, что фотон взаимодействует с одним фононом.
“Это хитрый трюк мы играем чтобы убедиться, что мы наблюдаем только один фонон”, — говорит Судхир.
Вероятность взаимодействия фотона с фононом является примерно один из 10 миллиардов. В своих экспериментах, ученые взорвали алмаз с 80 миллионов импульсов в секунду — Судир описывает как “поезд миллионы миллиарды фотонов” в течение нескольких часов, для того, чтобы обнаружить около 1 млн. фотон-фононного взаимодействия. В конце концов, они нашли, со статистической значимостью, что они смогли создать и обнаружения одиночных квантовых колебаний.
“Это своего рода амбициозного заявления, и мы должны быть осторожны в науке тщательно сделано, без сомнений”, — говорит Судхир.
При отправке второго лазерного импульса, чтобы убедиться, что один фононы действительно создаются, исследователи задержки этот импульс, посылая в алмазе возбужденных фононов начинает отлив энергии. Таким образом, они могли узнать, каким образом сам фононного заглохло.
“Таким образом, мы не только смогли исследовать рождением одного фонона, но и мы смогли исследовать его смерти”, — говорит Судхир. “Теперь мы можем сказать: ‘иди использовать эту технику, чтобы изучить, как долго он принимает для одного фонона, чтобы умереть в своем материале’. Этот номер очень полезен. Если времени на это уходит умирать очень долго, то этот материал может поддерживать когерентных фононов. Если это так, вы можете делать интересные вещи с ним, как и тепловой транспорт в солнечные батареи, и соединения между квантовыми компьютерами”.
