Открывая мир квантового звука с помощью квантового света

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».

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?

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.