Physical Review Letters: Как квантовый свет «увидит» квантовый звук

Исследователи из Университета Восточной Англии предложили новый способ использования квантового света для визуального обнаружения квантового звука.

В опубликованной сегодня работе раскрывается квантово-механическое взаимодействие между вибрациями и частицами света, известными как фотоны, в молекулах.

Предполагается, что это открытие поможет ученым лучше понять взаимодействие света и материи на молекулярном уровне.

Кроме того, оно может открыть путь к решению фундаментальных вопросов о важности квантовых эффектов в различных областях применения — от новых квантовых технологий до биологических систем.

Доктор Магнус Борг из Школы физики UEA сказал:

В химической физике давно ведутся споры о природе процессов, в которых энергия частиц света переносится внутри молекул.

Являются ли они по своей сути квантово-механическими или классическими? Молекулы — сложные и беспорядочные системы, постоянно вибрирующие. Как эти колебания влияют на квантово-механические процессы в молекуле?

Эти процессы обычно исследуются с помощью методов, основанных на поляризации — том же свойстве света, которое используется в солнцезащитных очках для уменьшения отражений. Но это классическое явление.

Методы квантовой оптики — области физики, изучающей квантовую природу света и его взаимодействие с веществом в атомном масштабе, — могут предложить способ исследования настоящих квантовых эффектов непосредственно в молекулярных системах.

Квантовое поведение может быть выявлено путем изучения корреляций в излучении молекулы, помещенной в лазерное поле. Корреляции отвечают на вопрос, насколько вероятно, что два фотона испускаются очень близко друг к другу, и могут быть измерены с помощью стандартных методов.

Бен Хамфрис (Ben Humphries), аспирант кафедры теоретической химии UEA, заявил следующее:

Наше исследование показывает, что когда молекула обменивается фононами — квантово-механическими частицами звука — со своим окружением, это приводит к появлению узнаваемого сигнала в фотонных корреляциях.

В то время как фотоны регулярно создаются и измеряются в лабораториях по всему миру, отдельные кванты колебаний, которые являются соответствующими частицами звука, фононами, в общем случае не могут быть аналогичным образом измерены.

Новые результаты дают возможность исследовать мир квантового звука в молекулах.

Ведущий исследователь доктор Гарт Джонс (Garth Jones) из Химического факультета UEA сказал:

Мы также рассчитали корреляции между фотонами и фононами.

Было бы очень интересно, если бы наша работа вдохновила на разработку новых экспериментальных методик для непосредственного обнаружения отдельных фононов.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

24.10.2023