Виявлено процес створення та руйнування фононів

Фонони - це дискретні одиниці коливальної енергії, передбачені квантовою механікою, які відповідають колективним коливанням атомів всередині молекули або кристала. Коли такі коливання виробляються світлом, що взаємодіє з матеріалом, коливальна енергія може передаватися між окремими фононами і окремими пакетами світлової енергії, фотонами. Цей процес називається ефектом Рамана.

У новому дослідженні лабораторія Крістофа Галланда в Інституті фізики EPFL розробила методику вимірювання в реальному часі і при кімнатній температурі процес створення і руйнування окремих фононів, відкриваючи захоплюючі можливості в різних областях, таких як спектроскопія і квантових технологій.

Новий метод використовує ультракороткі лазерні імпульси, які є спалахами світла, які зберігаються менше 10-13 секунд (частка трильйонної частки секунди). По-перше, один такий імпульс йде на кристал алмазу, щоб збудити в ньому один фонон. Коли це відбувається, партнерський фотон створюється на новій довжині хвилі через ефект Рамана і спостерігається зі спеціальним детектором, віщуючи успіх етапу підготовки.

По-друге, щоб опитати кристал і дослідити новостворений фонон, вчені запускають ще один лазерний імпульс в алмаз. Завдяки іншому детектору вони тепер записують фотони, які поглинають енергію вібрації. Ці фотони свідчать про те, що фонон все ще живий, а це означає, що кристал все ще вібрує з точно такою ж енергією.

Це сильно суперечить нашій інтуїції: ми звикли бачити, що вібраційні об'єкти поступово втрачають свою енергію з плином часу, як гітарна струна, звук якої зникає. Але в квантовій механіці є «все або нічого»: кристал або вібрує з певною енергією, або знаходиться в стані спокою. Таким чином, розпад фонона в часі спостерігається як зменшення ймовірності перебування його в збудженому стані, а не переходу в стан спокою.

Завдяки такому підходу вчені змогли відновити народження і смерть одного фонона, проаналізувавши вихід двох фотонних детекторів. «Мовою квантової механіки акт вимірювання системи після першого імпульсу створює чітко визначений квантовий стан фонона, який досліджується другим імпульсом», - говорить Крістоф Галланд. «Тому ми можемо відобразити розпад фононів з дуже точною тимчасовою роздільною здатністю, змінивши тимчасову затримку між імпульсами від нуля до декількох трильйонів частки секунди (10-12 секунд або пікосекунд)».

Нова техніка може бути застосована до багатьох різних типів матеріалів: від об'ємних кристалів до окремих молекул. Метод також може бути вдосконалений для створення більш екзотичних вібраційних квантових станів, таких як заплутані стани, де енергія «делокалізована» за двома коливальними модами. І все це може бути виконано в умовах звичайного навколишнього середовища, підкреслюючи, що екзотичні квантові явища можуть виникати в нашому повсякденному житті - нам просто потрібно дуже швидко спостерігати.