Ученые впервые наблюдали квантовую вибрацию при нормальной комнатной температуре, явление, которое обычно требует очень холодных, тщательно откалиброванных условий, что делает нас еще одним шагом к пониманию поведения квантовой механики в обычных материалах.
Команда смогла обнаружить фонон, квантовую частицу вибрации, генерируемую высокочастотными лазерными импульсами, в кусочке алмаза. Эти фононы, как известно, трудно обнаружить, отчасти из-за их чувствительности к теплу.
Что делает наблюдение фонона настолько важным, так это то, что он показывает вибрацию, действующую как единицу энергии (как описано в квантовой механике), а также волну (как описано в классической физике). По словам исследователей, при комнатной температуре в условиях открытого воздуха это приводит к квантовому поведению «ближе к нашей повседневной жизни».
«Существует дихотомия между нашим ежедневным опытом того, что такое вибрация — волна — и что квантовая механика говорит нам, что она должна быть — частицей», — говорит физик Вивишек Судхир из Массачусетского технологического института (MIT).
Эксперимент, проведенный Судхиром и его коллегами, включал стрельбу лазера со скоростью 80 миллионов импульсов в секунду, чтобы попытаться возбудить фононы, покоящиеся в алмазе.
Фононы работают на высоких частотах в алмазе, что означает, что они работают с более высокой энергией, чем окружающий воздух, — что позволяет избежать помех от более высокой тепловой энергии, что означает, что сверххолодная, ультра-специфическая лабораторная установка больше не требуется.
Исследователи надеялись, что этих вспышек фотонов (единичных единиц света), переносимых лазерными импульсами, будет достаточно, чтобы вызвать взаимодействие только с одним фононом, создавая волновой сдвиг, который затухает со временем — процесс, известный как комбинационное рассеяние света.
Второй лазерный импульс использовался, чтобы убедиться, что это действительно то, что произошло: этот импульс действовал, чтобы снять возбуждение с первоначального всплеска энергии, оставив исследователям новый высокочастотный фотон — явный признак того, что он возбудил один фонон по пути, и, таким образом, генерируется квантовая вибрация.
«То, что мы здесь сделали, — это задать вопрос, как вы избавляетесь от этой сложной среды, которую вы создали вокруг этого объекта, и привносите этот квантовый эффект в нашу обстановку, чтобы увидеть его в более распространенных материалах«, — говорит Судхир.
Исследователи надеются, что эту же технику можно использовать для изучения других «общих материалов» и обнаружения в них квантовых колебаний. Это также может способствовать исследованию сверхпроводящих свойств, обнаруженных в некоторых материалах.
В дальнейшем это исследование может также указать нам на материалы, которые будут пригодны для соединения квантовых компьютеров будущего — материалы, которые должны будут нести фононы.
«Наша работа означает, что теперь у нас есть доступ к гораздо более широкой палитре систем на выбор«, — говорит Судхир.
Исследование было опубликовано в .