Открывая мир квантового звука с помощью квантового света

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

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Туринская плащаница Дани Рязанова: как молодой художник из Петербурга рисует огнем

Раньше, наблюдая за современным художественным процессом, казалось, что молодые художники стремятся как можно дальше уйти от «навязанных» канонов, отказаться от всего, чем пользовались мастера...

Детальное изучение мозга чемпиона по памяти раскрыло нейробиологию его трюков

Рабочая память человека имеет свои физиологические ограничения. Исторически в когнитивной психологии этот предел описывался формулой «семь плюс-минус два элемента». Вы можете легко удержать в...

Эффект странника: как навыки ориентации в пространстве породили у человека геометрическое мышление

Со времен Платона геометрия считалась высшим проявлением абстрактного мышления. В диалоге «Менон» философ просит необразованного мальчика-раба удвоить площадь квадрата — и тот, опираясь...

Каньон Антилопы: почему он самый извилистый и фотогеничный в мире

В Аризоне, на землях индейцев навахо, находится место, любимое фотографами со всего мира. Каньон Антилопы вы наверняка хоть раз видели на заставке своего компьютера. Microsoft вносила его виды в...

Почему кофе и чай бодрят: взгляд с точки зрения науки

Вы когда-нибудь замечали, что после чашки кофе фокусировка внимания резко обостряется, но уже через полчаса ясность мысли начинает неумолимо угасать? Эти «американские горки» связаны с конкретными...