Предложен новый метод создания высокоэнергетического "квантового света" для изучения свойств в атомном масштабе

Законы классической физики могут описать наблюдаемый нами мир. Но в атомном масштабе правят законы квантовой физики. Недавно исследователи выдвинули теорию о новом механизме генерации высокоэнергетического "квантового света". Он может быть использован для изучения новых свойств материи в атомном масштабе и решения определенных квантовых проблем, что произведет революцию в известной нам науке, позволив наблюдать взаимодействия между атомами напрямую.

К концу 19 века битва за природу света как волны или совокупности частиц, казалось, была закончена. Но переворот в мышлении перевернул все с ног на голову: квантовая теория. Еще в 1926 году в статье в журнале Nature объяснялось: "Хорошо известно, что волновая теория света не может объяснить некоторые явления. […] Квантовая теория света — это не просто грубая картина некоторых фактов, но важная теория, не более далекая от истины, чем волновая теория". Действительно, дуализм, представленный светом (поведение в виде волны и набора частиц), был предложен Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он подкрепил свою гипотезу о фотоне анализом фотоэлектрического эффекта - процесса, открытого Герцем в 1887 году, при котором электроны вылетают с металлической поверхности, освещенной светом. Детальные измерения показали, что наступление эффекта определяется исключительно частотой света и составом поверхности и не зависит от интенсивности света. Другими словами, даже если мы увеличим интенсивность света, электрон, испускаемый металлом, будет иметь ту же кинетическую энергию (или удельную скорость при испускании).

Такое поведение вызывало недоумение в контексте классических электромагнитных волн, энергия которых пропорциональна интенсивности и не зависит от частоты, подобно волнам, чьи большие волны оказывают гораздо большее влияние на погруженное в них тело, чем малые. На самом деле Эйнштейн предположил, что для отрыва электрона от поверхности требуется минимальное количество энергии, подразумевая, что только фотоны с энергией выше этого минимума могут вызвать эмиссию электрона.

Таким образом, в больших масштабах (повседневный свет) фотоны подчиняются знакомым законам классической физики, ведя себя как волна. Но когда мы приближаемся к масштабам атомов, правила квантовой механики берут верх, и поведение, невозможное в классической физике, такое как квантовая запутанность, позволяет двум частицам, разделенным большим расстоянием, "синхронизироваться" - они запутаны. Основываясь на этой теории квантового света, международная группа исследователей под руководством Кембриджского университета разработала теорию, описывающую новое состояние света, которое обладает управляемыми квантовыми свойствами в широком диапазоне частот, вплоть до рентгеновских лучей. Этот новый механизм генерации высокоэнергетического "квантового света" может быть использован для изучения новых свойств материи в атомном масштабе и революции в оптике. Их результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Одним из основных методов генерации света является использование мощных лазеров. Когда достаточно мощный лазер направлен на твердое тело (или излучатель), он может вытягивать определенные электроны и заряжать их энергией. По сути, эти электроны рекомбинируют с излучающим твердым телом, из которого они были извлечены, а избыток поглощенной ими энергии высвобождается в виде света. Этот процесс преобразует низкочастотный входной свет в высокочастотное выходное излучение. Это известно как генерация высоких гармоник. Диаграмма фотоэлектрического эффекта. Это принцип фотоэлектрического эффекта, использованный Эйнштейном в его квантовой теории. Но если Эйнштейн предполагал наличие одного излучателя, то эта команда предполагает наличие множества конкретных излучателей. Доктор Андреа Пицци, ведущий автор, ранее работавшая в Кембридже, а теперь работающая в Гарвардском университете, объясняет в своем заявлении:

"Предполагалось, что все эти излучатели независимы друг от друга, в результате чего на выходе получается свет, в котором квантовые флуктуации достаточно однородны. Мы хотели изучить систему, в которой излучатели не независимы, а коррелированы: состояние одной частицы сообщает состояние другой [через квантовую запутанность]. В этом случае выходной свет начинает вести себя совсем по-другому, а его квантовые флуктуации становятся высокоструктурированными и потенциально более "полезными"".

Хотя эта идея звучит просто и интуитивно понятна, на практике это не так. Гипотеза команды должна решить одну из самых сложных проблем в квантовой механике - проблему многих тел. Это общее название для ряда проблем, связанных с атомным миром множества взаимодействующих частиц, согласно квантовым законам. В более явном виде эта проблема может быть определена как предсказание свойств и эффектов взаимодействия частиц на поведение системы многих тел. Для решения этой проблемы исследователи использовали комбинацию теоретического анализа и компьютерного моделирования, где свет, испускаемый группой коррелированных излучателей, мог быть описан с помощью квантовой физики.

Пицци говорит: "Мы работали месяцами, получая все более чистые уравнения, пока не смогли описать связь между выходным светом и входными корреляциями одним компактным уравнением". Если говорить конкретно, то теория демонстрирует, что управляемый квантовый свет может генерироваться коррелированными излучателями с помощью мощного лазера. Метод генерирует высокоэнергетический выходной свет и может быть использован для разработки квантовой оптической структуры рентгеновских лучей. Николас Ривера, исследователь из Гарвардского университета и соавтор статьи, указывает в статье в журнале Vice:

"Преобразованные фотоны могут существовать в виде очень коротких импульсов, длительностью около 100 аттосекунд [одна миллиардная часть миллиардной доли секунды]. Чрезвычайно короткая длительность этих импульсов [может] позволить визуализировать физические и химические процессы, происходящие на таких же ультракоротких временных шкалах".

Этот новый механизм генерации высокоэнергетического "квантового света" может решить давние проблемы в физике материалов. Действительно, основы физики и химии опираются на взаимодействие между электронами и атомами, а также между самими атомами для создания молекул и материалов, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Однако мы мало знаем о том, как электроны и ядра "двигаются" в этих взаимодействиях, поскольку они находятся в таких малых масштабах и происходят в течение такого короткого времени, что их трудно зафиксировать в действии. Пицци отмечает:

"Квантовые флуктуации делают квантовый свет более сложным для изучения, но и более интересным: при правильном проектировании квантовые флуктуации могут быть ресурсом. Управление состоянием квантового света может позволить использовать новые методы в микроскопии и квантовых вычислениях".

Эта новая форма квантового света может открыть новые сложные методы визуализации материалов с беспрецедентной четкостью, например, для биологических образцов, и таким образом раскрыть скрытые детали сверхбыстрых взаимодействий и свойств объектов в атомном масштабе.

Узнавайте первыми главные энергетические новости и актуальную информацию о важных событиях дня в России и мире.

Подписывайтесь на наш Telegram-канал

"ГИС-Профи. Информационное сопровождение предприятий энергетической отрасли"