Odkrivanje rojstva in smrti fonona

O rojstvu in smrti (Junij 2019).

Anonim

Fononi so diskretne enote vibracijske energije, ki jih predvideva kvantna mehanika, ki ustrezajo kolektivnim nihanjem atomov znotraj molekule ali kristala. Ko so takšne vibracije proizvedene s svetlobo, ki interagira z materialom, se lahko vibracijska energija prenese naprej in nazaj med posameznimi fononi in posameznimi paketi svetlobne energije, fotoni. Ta proces se imenuje Raman učinek.

V novi študiji je laboratorij Christopha Gallanda na EPFL-jevem Inštitutu za fiziko razvil tehniko za merjenje, v realnem času in pri sobni temperaturi, nastanek in uničenje posameznih fononov, ki odpirajo razburljive možnosti na različnih področjih, kot so spektroskopija in kvantne tehnologije.

Tehnologija uporablja ultra kratke laserske impulze, ki utripajo svetlobo, ki traja manj kot 10-13 sekund (del bilijona sekunde sekunde). Prvič, en tak pulz je posnet na diamantni kristal, da vzburi en sam fonon. Ko se to zgodi, se partnerski foton ustvari na novi valovni dolžini skozi ramanski učinek in je opazovan pri specializiranem detektorju, kar kaže na uspeh pripravljalnega koraka.

Drugič, za zaslišanje kristala in sondiranje novoustanovljenega fonona, znanstveniki v diamantu požarijo še en laserski impulz. Zahvaljujoč drugemu detektorju, zdaj snemajo fotone, ki so ponovno absorbirali energijo vibracij. Ti fotoni so priče, da je bil fonon še vedno živ, kar pomeni, da kristal še vedno vibrira s popolnoma enako energijo.

To je v močnem nasprotju z našo intuicijo: navajeni smo, da vibrirajući predmeti postopoma izgubijo svojo energijo s časom, kot je niz strun, katerega zvok izgine. Toda v kvantni mehaniki je to "vse ali nič": kristal vibrira s posebno energijo ali je v stanju mirovanja; med državama ni dovoljeno nobeno stanje. Razpad fonona skozi čas se zato opazi kot zmanjšanje verjetnosti, da bi ga našli v vzbujanem stanju, namesto da bi skočili v stanje mirovanja.

S tem pristopom so znanstveniki lahko rekonstruirali rojstvo in smrt posameznega fonona z analizo proizvodnje dveh fotonskih detektorjev. "V jeziku kvantne mehanike dejstvo merjenja sistema po prvem impulzu ustvarja dobro definirano kvantno stanje fonona, ki ga proučuje drugi impulz, " pravi Christophe Galland. "Fononski propad lahko zato mapamo z zelo natančno časovno ločljivostjo tako, da zamenjamo časovni zamik med impulzi od nič do nekaj milijard dolarjev sekunde (10 -12 sekund ali pikosekund)."

Nova tehnika se lahko uporablja za različne vrste materialov, od kristalov v razsutem stanju do posameznih molekul. Prav tako je mogoče izpopolniti, da bi ustvarili bolj eksotične vibracijske kvantne stanj, kot so zaprta stanja, kjer se energija "preseljuje" v dva vibracijska načina. In vse to lahko opravimo v okoliških pogojih, pri čemer poudarjamo, da se lahko v našem vsakdanjem življenju pojavijo eksotični kvantni pojavi - le zelo hitro moramo gledati.

menu
menu