Открывая мир квантового звука с помощью квантового света

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

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
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
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

Как устроена раскаленная «планета-зефир»: «Джеймс Уэбб» нашел кварцевые облака и аномальный климат на WASP-17 b

Когда астрономы изучают атмосферы планет за пределами Солнечной системы, они чаще всего используют метод спектроскопии пропускания. В моменты, когда экзопланета проходит между Землей и своей...

Почему волк покидает родную стаю, даже когда в ней достаточно пищи

Волчья семья может годами жить на одной территории. Взрослые животные знают, где искать пищу, молодые постепенно осваивают окружающую местность, а подросшие волчата помогают заботиться о младших....

Илон Маск обещает летающий автомобиль к 2028 году. Эту сказку нам слово в слово рассказывали в 1957-м

На испытательном полигоне компании SpaceX в городе Макгрегор, штат Техас, состоялась закрытая презентация новой версии спортивного автомобиля Tesla Roadster. Во время показа машина заехала на...

ИИ декодировал язык клеточных сигналов — и подсказал, как вырастить живые ткани в пробирке

В процессе развития эмбриона исходно одинаковые клетки постепенно превращаются в десятки специализированных типов: нейроны, мышечные волокна, клетки печени или кожи. Выбор пути зависит от...

Плейлисты на компакт-кассете: как дека Uher CG 355 запоминала порядок треков

В конце 1970-х слушать кассету значило постоянно держать руку на клавишах. Нужный трек искали перемоткой вперёд или назад, глядя на механический счётчик или просто на слух. Мюнхенская фирма Uher...

Как остановить опасный астероид, если таран не сработает: суперкомпьютер нашел решение

Падение крупного небесного тела на Землю — единственный вид глобальной природной катастрофы, который человечество способно предотвратить с помощью доступных технологий. Атмосфера планеты...