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.

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.

Управляемый «квантовый свет»

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.

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.