Открывая мир квантового звука с помощью квантового света

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Квантовая физика изучает поведение и взаимодействие элементарных частиц, таких как фотоны (кванты света) и фононы (кванты звука). Однако, измерить квантовые свойства этих частиц в сложных системах, таких как молекулы, представляет собой большую научную проблему. Исследователи из Университета Восточной Англии предложили новый способ использования квантового света для «видения» квантового звука в молекулах. Их работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Молекулы — это сложные и беспорядочные системы, постоянно колеблющиеся под воздействием тепла. Колебания молекул могут быть описаны как суперпозиция различных мод звука, каждая из которых характеризуется определенной частотой и амплитудой. Когда молекула поглощает или излучает фотон, она переходит между разными энергетическими уровнями, при этом ее колебательное состояние также меняется. Это называется фотофизическим процессом.

Существует давняя спорная тема в химической физике о природе фотофизических процессов в молекулах. Являются ли они фундаментально квантово-механическими или классическими? Как колебания молекул влияют на квантовые процессы в них? Эти процессы обычно исследуются с помощью методов, основанных на поляризации — том же свойстве света, которое используется в солнечных очках для уменьшения отражений. Но это — классическое явление.

Методы квантовой оптики, область физики, которая изучает квантовую природу света и его взаимодействие с материей на атомном уровне, могут предложить способ исследовать подлинные квантовые эффекты непосредственно в молекулярных системах. Квантовое поведение может быть выявлено путем изучения корреляций в излучаемом свете от молекулы, помещенной в лазерное поле. Корреляции отвечают на вопрос, насколько вероятно, что два фотона будут излучены очень близко друг к другу, и могут быть измерены с помощью стандартных техник.

Бен Хамфриз, аспирант по теоретической химии в Университете Восточной Англии, сказал: «Наше исследование показывает, что когда молекула обменивается фононами — квантово-механическими частицами звука — с окружающей средой, это создает узнаваемый сигнал в корреляциях фотонов».

Фотон
Автор: Bing image creator

В то время как фотоны регулярно создаются и измеряются в лабораториях по всему миру, индивидуальные кванты колебаний, которые являются соответствующими частицами звука, фононы, в общем случае не могут быть аналогично измерены. Новые результаты предоставляют инструментарий для исследования мира квантового звука в молекулах.

Ведущий исследователь доктор Гарт Джонс из Школы химии Университета Восточной Англии сказал: «Мы также вычислили корреляции между фотонами и фононами. Это позволяет нам не только «видеть» квантовый звук, но и «слышать» квантовый свет. Это открывает новые перспективы для изучения взаимодействия света и материи на молекулярном уровне. Это также может помочь ученым лучше понять роль квантовых эффектов в различных приложениях, от новых квантовых технологий до биологических систем».

Что такое фононы и как они связаны с звуком?

Фонон
Автор: Bing image creator

Фононы — это квазичастицы, которые представляют собой кванты энергии согласованного колебательного движения атомов твердого тела, образующих идеальную кристаллическую решетку. Фононы можно рассматривать как квантовые аналоги звука, так как они связаны с упругими волнами, распространяющимися в кристалле. Звук — это макроскопическое явление, которое возникает из-за колебаний среды под воздействием механического возмущения. Колебания среды можно описать как суперпозицию различных мод звука, каждая из которых характеризуется определенной частотой и амплитудой. Когда эти моды квантуемы, то есть дискретизуются по энергии, то получаются фононы. Таким образом, фононы — это квантовые звуковые волны в кристалле.

И что даст это исследование для рядового человека?

Это исследование может иметь различные последствия для рядового человека, в зависимости от того, как он связан с квантовой физикой и химией. Во-первых, это может помочь развитию новых квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры, квантовая связь и квантовая криптография, которые могут принести революционные изменения в области информационных и коммуникационных технологий. Во-вторых, это может способствовать пониманию фундаментальных процессов в природе, таких как фотосинтез, фотокатализ и фотобиология, которые зависят от взаимодействия света и материи на молекулярном уровне. В-третьих, это может просто удовлетворить любопытство и интерес человека к науке и ее загадкам.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

С какой скоростью в Москве ходят электрички и поезда метро?

Вопрос, казалось бы, простой — скорость можно и просто измерить. Для метро этот процесс немного усложняется тем, что всякий GPS и прочий ГЛОНАСС под землёй не работают, однако в...

Почему птицы, живущие в городах, имеют более яркие перья

Когда мы гуляем по городу, особенно в парках или на набережных, часто можно заметить, что местные птицы выглядят особенно яркими. Конечно, это не касается, например, голубей, а вот синицы, снегири,...

Так может ли существовать машина времени? 5 способов (теоретически) взломать время и что нам мешает

Идея повернуть время вспять, исправить ошибки прошлого или заглянуть в будущее будоражит умы писателей, режиссеров и, конечно же, нас с вами. Кажется, что это удел научной фантастики, нечто...

5 самых крупных тигров в мире: вес, длина и реальные фото

Властелин сумрачных лесов и безмолвных гор, тигр олицетворяет собой первозданную мощь и неукротимую грацию дикой природы. Крупнейший представитель семейства кошачьих на планете, этот хищник...

Телескоп на дне Байкала: зачем он нужен и почему его продолжат расширять до 2030 года

На большой глубине Байкала, являющегося самым глубоким озером на Земле, ученые строят уникальный телескоп. Звучит странно, неправда ли? Зачем нужен телескоп под водой, да ещё и на большой...

Что не так с антикитерским механизмом: Мог ли первый в мире компьютер вообще работать?

Антикитерский механизм. Одно только название будоражит воображение. Найденный больше века назад среди обломков древнего корабля, этот сложнейший артефакт из бронзовых шестерен часто называют первым...