Registrering af en fonons fødsel og død

Fononer er diskrete enheder af vibrationsenergi forudsagt af kvantemekanik, der svarer til kollektive svingninger af atomer inde i et molekyle eller en krystal. Når sådanne vibrationer frembringes af lys, der interagerer med et materiale, vibrationsenergien kan overføres frem og tilbage mellem individuelle fononer og individuelle pakker med lysenergi, fotoner. Denne proces kaldes Raman -effekten.

I en ny undersøgelse, laboratoriet af Christophe Galland ved EPFL's Institute of Physics har udviklet en teknik til måling, i realtid og ved stuetemperatur, oprettelse og ødelæggelse af individuelle fononer, åbner spændende muligheder inden for forskellige områder såsom spektroskopi og kvanteteknologier.

Teknikken anvender ultrakorte laserpulser, som er lysudbrud, der varer mindre end 10 ^-13 sekunder (en brøkdel af en billioner af et sekund). Først, en sådan puls skydes på en diamantkrystal for at ophidse et enkelt fonon inde i den. Når dette sker, en partnerfoton dannes ved en ny bølgelængde gennem Raman -effekten og observeres med en specialiseret detektor, der indvarsler forberedelsestrinets succes.

Sekund, at forhøre krystallen og sonde den nyoprettede fonon, forskerne affyrer endnu en laserpuls ind i diamanten. Takket være en anden detektor, de registrerer nu fotoner, der har reabsorberet vibrationens energi. Disse fotoner er vidner om, at fononen stadig levede, hvilket betyder, at krystallen stadig vibrerede med nøjagtig den samme energi.

Dette er i stærk modsætning til vores intuition:vi er vant til at se vibrerende objekter gradvist miste deres energi over tid, som en guitarstreng, hvis lyd forsvinder. Men i kvantemekanikken er dette "alt eller ingenting":krystallen vibrerer enten med en bestemt energi, eller den er i hviletilstand; der er ingen stat tilladt imellem. Fonons forfald over tid observeres derfor som et fald i sandsynligheden for at finde det i den ophidsede tilstand i stedet for at være hoppet ned til hviletilstanden.

Gennem denne tilgang, forskerne kunne rekonstruere fødslen og døden af ​​et enkelt fonon ved at analysere output fra de to fotondetektorer. "I kvantemekanikens sprog, handlingen med at måle systemet efter den første puls skaber en veldefineret kvantetilstand for fononen, som sondes af den anden puls, "siger Christophe Galland." Vi kan derfor kortlægge fononforfaldet med meget fin tidsopløsning ved at ændre tidsforsinkelsen mellem impulserne fra nul til et par billioner sekunder af (10 ^-12 sekunder eller picosekunder). "

Den nye teknik kan anvendes på mange forskellige typer materialer, fra bulk -krystaller ned til enkeltmolekyler. Det kan også forfines til at skabe mere eksotiske vibrationelle kvantetilstande, såsom sammenfiltrede tilstande, hvor energi "delokaliseres" over to vibrationstilstande. Og alt dette kan udføres under omgivelsesbetingelser, understreger, at eksotiske kvantefænomener kan forekomme i vores daglige liv - vi skal bare se meget hurtigt til.