Forskere observerer en enkelt kvantevibration under almindelige forhold

Når en guitarstreng plukkes, det vibrerer som enhver vibrerende genstand ville stiger og falder som en bølge, som den klassiske fysiks love forudsiger. Men under kvantemekanikkens love, som beskriver den måde fysik fungerer på atomær skala, vibrationer skal ikke kun opføre sig som bølger, men også som partikler. Den samme guitarstreng, når det observeres på et kvanteniveau, skal vibrere som individuelle energienheder kendt som fononer.

Nu har forskere ved MIT og Swiss Federal Institute of Technology for første gang skabt og observeret en enkelt fonon i et fælles materiale ved stuetemperatur.

Indtil nu, enkeltfononer er kun blevet observeret ved ultrakolde temperaturer og i præcist konstruerede, mikroskopiske materialer, som forskere skal sondere i et vakuum. I modsætning, holdet har skabt og observeret enkelte fononer i et stykke diamant siddende i fri luft ved stuetemperatur. Resultaterne, skriver forskerne i et papir offentliggjort i dag i Fysisk gennemgang X , "bring kvanteadfærd tættere på vores daglige liv."

"Der er en dikotomi mellem vores daglige oplevelse af, hvad en vibration er - en bølge - og hvad kvantemekanikken fortæller os, at den skal være - en partikel, " siger Vivishek Sudhir, en postdoc i MITs Kavli Institut for Astrofysik og Rumforskning. "Vores eksperiment, fordi det foregår under meget håndgribelige forhold, bryder denne spænding mellem vores daglige oplevelse og det, fysikken fortæller os, må være tilfældet."

Teknikken, som holdet udviklede, kan nu bruges til at sondere andre almindelige materialer til kvantevibrationer. Dette kan hjælpe forskere med at karakterisere atomprocesserne i solceller, samt identificere hvorfor visse materialer er superledende ved høje temperaturer. Fra et ingeniørmæssigt perspektiv, holdets teknik kan bruges til at identificere almindelige fonon-bærende materialer, der kan skabe ideelle sammenkoblinger, eller transmissionsledninger, mellem fremtidens kvantecomputere.

"Vores arbejde betyder, at vi nu har adgang til en meget bredere palet af systemer at vælge imellem, " siger Sudhir, en af ​​avisens hovedforfattere.

Sudhirs medforfattere er Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Andersen, og Christophe Galland, fra det schweiziske føderale teknologiske institut.

"Demokratiserende kvantemekanik"

fononer, de individuelle vibrationspartikler beskrevet af kvantemekanikken, er også forbundet med varme. For eksempel, når en krystal, lavet af ordnede gitter af indbyrdes forbundne atomer, opvarmes i den ene ende, kvantemekanikken forudsiger, at varme bevæger sig gennem krystallen i form af fononer, eller individuelle vibrationer af bindingerne mellem molekyler.

Enkelte fononer har været ekstremt vanskelige at opdage, hovedsageligt på grund af deres følsomhed over for varme. Fononer er modtagelige for enhver termisk energi, der er større end deres egen. Hvis fononer i sagens natur har lavt energiindhold, så kan eksponering for højere termiske energier udløse et materiales fononer til at ophidse i massevis, gør detektion af en enkelt foton til en nål-i-høstak-bestræbelse.

De første bestræbelser på at observere enkelte fononer gjorde det med materialer, der var specielt udviklet til at rumme meget få fononer, ved relativt høje energier. Disse forskere nedsænkede derefter materialerne i næsten-absolut-nul køleskabe, som Sudhir beskriver som "brutalt, aggressivt kold, "for at sikre, at den omgivende termiske energi var lavere end energien af ​​fononerne i materialet.

"Hvis det er tilfældet, så kan [fonon]-vibrationen ikke låne energi fra det termiske miljø for at excitere mere end én fonon, " forklarer Sudhir.

Forskerne skød derefter en puls af fotoner (lyspartikler) ind i materialet, i håb om, at en foton ville interagere med en enkelt fonon. Når det sker, fotonen, i en proces kendt som Raman-spredning, skal reflektere tilbage ved en anden energi, som den interagerer med fonon. På denne måde forskere var i stand til at detektere enkelte fononer, dog ved ultrakolde temperaturer, og i omhyggeligt konstruerede materialer.

"Det, vi har gjort her, er at stille spørgsmålet, hvordan slipper du af med dette komplicerede miljø, du har skabt omkring dette objekt, og bringe denne kvanteeffekt til vores omgivelser, at se det i mere almindelige materialer, " siger Sudhir. "Det er ligesom at demokratisere kvantemekanikken på en eller anden måde."

En ud af en million

Til den nye undersøgelse, holdet så på diamant som testperson. I diamant, fononer fungerer naturligt ved høje frekvenser, af snesevis af terahertz - så højt, at ved stuetemperatur, energien af ​​en enkelt fonon er højere end den omgivende termiske energi.

"Når denne krystal af diamant sidder ved stuetemperatur, fononbevægelse eksisterer ikke engang, fordi der ikke er energi ved stuetemperatur til at ophidse noget, " siger Sudhir.

Inden for denne vibrationsstøjsvage blanding af fononer, forskerne havde til formål at begejstre kun en enkelt fonon. De sendte højfrekvente laserimpulser, bestående af 100 millioner fotoner hver, ind i diamanten - en krystal, der består af kulstofatomer - med en chance for, at en af ​​dem ville interagere og reflektere fra en fonon. Holdet ville derefter måle den reducerede frekvens af den foton, der var involveret i kollisionen - bekræftelse af, at den faktisk havde ramt en fonon, selvom denne operation ikke ville være i stand til at skelne, om en eller flere fononer var begejstrede i processen.

For at tyde antallet af ophidsede fononer, forskerne sendte en anden laserpuls ind i diamanten, som fononens energi gradvist henfaldt. For hver fonon exciteret af den første puls, denne anden puls kan de-excitere den, fjerner den energi i form af en ny, højere energi foton. Hvis kun én fonon oprindeligt var begejstret, så en ny, højere frekvens foton bør oprettes.

For at bekræfte dette, forskerne placerede et semitransparent glas, hvorigennem denne nye, højere frekvens foton ville forlade diamanten, sammen med to detektorer på hver side af glasset. Fotoner deler sig ikke, så hvis flere fononer var begejstrede, så de-exciterede, de resulterende fotoner skal passere gennem glasset og spredes tilfældigt ind i begge detektorer. Hvis kun én detektor "klikker, " indikerer påvisning af en enkelt foton, holdet kan være sikre på, at den foton interagerede med en enkelt fonon.

"Det er et smart trick, vi spiller for at sikre, at vi kun observerer én fonon, " siger Sudhir.

Sandsynligheden for, at en foton interagerer med en fonon, er omkring én ud af 10 milliarder. I deres eksperimenter, forskerne sprængte diamanten med 80 millioner impulser i sekundet - hvad Sudhir beskriver som et "tog af millioner af milliarder af fotoner" over flere timer, for at detektere omkring 1 million foton-fonon-interaktioner. Til sidst, de fandt, med statistisk signifikans, at de var i stand til at skabe og detektere et enkelt vibrationskvantum.

"Dette er en slags ambitiøs påstand, og vi skal passe på, at videnskaben udføres strengt, uden plads til rimelig tvivl, " siger Sudhir.

Da de sendte deres anden laserpuls ind for at bekræfte, at enkelte fononer faktisk blev skabt, forskerne forsinkede denne puls, sendte ind i diamanten, da den ophidsede fonon begyndte at ebbe ud i energi. På denne måde de var i stand til at samle den måde, hvorpå selve fononen henfaldt.

"Så, ikke kun er vi i stand til at undersøge fødslen af ​​en enkelt fonon, men vi er også i stand til at undersøge dets død, " siger Sudhir. "Nu kan vi sige, "brug denne teknik til at studere, hvor lang tid det tager for en enkelt fonon at dø ud i dit valgte materiale." Det tal er meget nyttigt. Hvis tiden det tager at dø er meget lang, så kan det materiale understøtte sammenhængende fononer. Hvis det er tilfældet, du kan gøre interessante ting med det, som termisk transport i solceller, og forbinder mellem kvantecomputere."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.