En meget forenklet måde at forudsige kvantelys-stof-interaktioner

Når lys interagerer med stof, for eksempel, når en laserstråle rammer et todimensionelt materiale som grafen, det kan ændre materialets adfærd væsentligt. Afhængig af samspillet mellem lys og stof, nogle kemiske reaktioner ser anderledes ud, stoffer bliver magnetiske eller ferroelektriske eller begynder at lede elektricitet uden tab. I særligt spændende tilfælde, en egentlig lyskilde er måske ikke engang nødvendig, fordi den blotte mulighed for lys at eksistere, dvs. dets kvanteækvivalent, fotonerne, kan ændre stoffets adfærd. Teoretiske videnskabsmænd forsøger at beskrive og forudsige disse fascinerende fænomener, fordi de kan være afgørende i udviklingen af ​​nye kvanteteknologier.

Imidlertid, at beregne kvantelys-stof-interaktioner spiser ikke kun enorme mængder af tid og computerkraft – det bliver også meget besværligt. At beskrive det stærke samspil mellem et realistisk materiale med fotoner bruger let tusindvis af euro. Nu har forskere fra teoriafdelingen på Max Planck-instituttet for materiens struktur og dynamik (MPSD) i Hamborg fundet en måde at forenkle nogle af disse beregninger. Deres arbejde, nu udgivet i PNAS , giver et væsentligt skridt hen imod at integrere lysets kvantenatur i moderne enheder.

"Forestil dig, at du får et sæt byggeklodser til at bygge en model af den berømte Berlinport, siger Christian Schäfer, hovedforfatter af undersøgelsen. "Intuitivt, vi begynder at placere stenene oven på hinanden for at ligne portens form, men med hver sten, konstruktionen bliver mere ustabil og dyr. Tilsvarende fordi vi nogle gange skal overveje mange hundrede fotoner, vores beregninger kan blive overvældende komplekse, og omkostningerne ved vores teoretiske forudsigelser spiraler meget hurtigt. Faktisk, denne pris er så uoverkommelig, at forudsigelse af det fulde samspil mellem mange fotoner og realistiske molekyler de facto er umuligt at beregne, selv på de hurtigste og største eksisterende supercomputere."

Nu, MPSD-holdet, baseret på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamborg, har fundet en enkel, men genial måde at omgå dette problem. Ved at omforme ligningen, så den materielle del selv står for lysets kvantemekaniske usikkerhed, langt færre ekstra fotoner er nødvendige for at beskrive det kombinerede system af kvantelys og stof.

"Træde i kræft, vi byggede Berlinporten ved at hugge den fra den første sten for at nå frem til omtrent det samme resultat, " forklarer Schäfer. "Dette giver os mulighed for at beskrive kvanteinteraktionen mellem lys og stof med meget få ekstra omkostninger sammenlignet med blot at overveje materialet."

For at tage et eksempel, når interaktionen mellem lys og stof bliver så stærk, at begge systemer virkelig bliver sammenflettede, hver mulig konfiguration af lysfeltet kan kræve overvejelse af hundredvis af fotoner. Den nye tilgang kan fange de fleste funktioner i denne ekstreme grænse uden at skulle overveje nogen foton overhovedet. Tilføjelse af nogle få fotoner er så nok til at give det fulde billede.

Metoden giver betydelige besparelser i regnetid og giver en ramme for forskere til at forudsige samspillet mellem kvantelys og stof for realistiske systemer i situationer, der var uoverkommelige at simulere. "Vores tilgang kan tjene som et solidt grundlag for fremtidige udviklinger, giver en vej til at integrere kvantelys stærkere i kemi, materialedesign og kvanteteknologi, " siger Schäfer. "Inden for den generelle formalisme kan mange nye effekter stadig afvente opdagelse, " tilføjer MPSD Theory direktør Angel Rubio. "Konstruktionen af ​​materialer og molekylære komplekser gennem lys er ved at blive en realitet. Vi er påbegyndt en lang og spændende rejse for at udforske dens fulde potentielle implikationer i nye kvanteteknologier, og teamets arbejde udgør et vigtigt skridt ad denne vej."