科学家们在普通条件下观察单个量子振动

当一根吉他弦被拨动时,它会像任何振动的物体一样振动,像波一样上升和下降,正如经典物理学定律所预测的那样。但是根据量子力学定律,即在原子尺度上描述物理学的工作方式,振动不仅应该表现为波,而且应该表现为粒子。同样的吉他弦,当在量子水平上观察时,应该作为能量的单个单位振动,即声子。

现在,麻省理工学院和瑞士联邦理工学院的科学家们首次在室温下在一种普通材料中创造并观察到一个声子。

到目前为止,单个声子只能在超低温和精确设计的微观材料中观察到,研究人员必须在真空中进行探测。相比之下,研究小组在室温下在一块钻石上创造并观察到单个声子。研究人员在《物理评论X》杂志上发表的一篇论文中写道,研究结果“让量子行为更接近我们的日常生活。”

麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的博士后Vivishek Sudhir说:“我们对振动(波)的日常体验和量子力学告诉我们的必然是粒子之间存在着两分法。”“我们的实验,因为是在非常有形的条件下进行的,打破了我们日常经验和物理学告诉我们的必然事实之间的紧张关系。”

该团队开发的技术现在可以用于探测其他常见的量子振动材料。这可能有助于研究人员描述太阳能电池的原子过程,以及确定为什么某些材料在高温下具有超导性。从工程学的角度来看,该团队的技术可以用来识别共同的携带声子的材料,这些材料可以在未来的量子计算机之间实现理想的互连或传输线。

论文的主要作者之一Sudhir说:“我们的工作意味着我们现在可以使用更广泛的系统来进行选择。”

苏迪尔的合著者是瑞士联邦理工学院的圣地亚哥·塔拉格·维勒兹、基廉·西博尔德、尼尔斯·基普弗、米切尔·安德森和克里斯托弗·加兰。

量子力学“民主化”

声子,量子力学中描述的振动粒子,也与热有关。例如,当一个由相互连接的原子有序晶格构成的晶体一端受热时,量子力学预测热量会以声子或分子间键的个别振动的形式在晶体中传播。

单声子很难探测到,主要是因为它们对热很敏感。声子容易受到任何大于其自身能量的热能的影响。如果声子本身的能量较低,那么暴露在较高的热能下可能会触发材料的声子集体激发,使探测单个光子成为大海捞针般的努力。

第一次观察单个声子的努力是用一种特别设计的材料来实现的,这种材料以相对较高的能量容纳很少的声子。然后,这些研究人员将这些材料浸入几乎绝对零度的冰箱中,Sudhir将其描述为“残酷、极冷”,以确保周围的热能低于材料中声子的能量。

“如果是这样的话,那么(声子)振动就不能从热环境中借用能量来激发多个声子,”Sudhir解释说。

然后,研究人员向材料中注入光子脉冲(光粒子),希望一个光子能与一个声子相互作用。当这种情况发生时,光子,在一种称为拉曼散射的过程中,应该会以一种不同的能量反射回来,这种能量是由相互作用的声子传递给光子的。通过这种方法,研究人员能够探测到单个声子,尽管是在超高温度下,而且是在精心设计的材料中。

“我们在这里所做的是提出一个问题,如何摆脱围绕这个物体所创造的复杂环境,并将这种量子效应带到我们的环境中,在更常见的材料中看到它,”Sudhir说。“从某种意义上说,这就像是让量子力学大众化。”

百万分之一

在这项新研究中,研究小组将戴蒙德作为实验对象。在钻石中,声子自然地以几十太赫兹的高频运转——如此之高,以至于在室温下,单个声子的能量高于周围的热能。

“当这种钻石晶体在室温下放置时,声子运动甚至不存在,因为室温下没有能量激发任何东西,”Sudhir说。

在这个振动平静的声子组合中,研究人员的目标仅仅是激发一个声子。他们向钻石(一种由碳原子组成的晶体)发射高频激光脉冲,每个脉冲由1亿个光子组成,希望其中一个光子能与声子相互作用并反射回来。然后,研究小组将测量碰撞中光子频率的降低——确认它确实碰到了一个声子,尽管这个操作不能分辨在这个过程中是一个还是多个声子被激发了。

为了破译被激发的声子数量,研究人员向钻石发射了第二道激光脉冲,因为声子的能量逐渐衰减。对于每一个被第一个脉冲激发的声子,第二个脉冲可以使它失活,以新的、高能量光子的形式带走能量。如果一开始只有一个声子被激发,那么就会产生一个新的高频光子。

为了证实这一点,研究人员在玻璃的两边各放置了两个探测器,并放置了一个半透明的玻璃,通过这个半透明的玻璃,新的高频光子将从钻石中出来。光子不会分裂,所以如果多个声子被激发然后被去激发,产生的光子应该穿过玻璃并随机地散布到两个探测器上。如果只有一个探测器“咔哒”一声,表示探测到了一个光子,那么研究小组就可以确定这个光子与一个声子相互作用。

“这是一个聪明的把戏,我们可以确保我们只观察到一个声子,”Sudhir说。

光子与声子相互作用的概率大约是100亿分之一。在他们的实验中,研究人员以每秒8000万脉冲的速度对钻石进行轰击——Sudhir将其描述为在数小时内“数以百万计的光子组成的序列”,以探测到大约100万个光子-声子的相互作用。最后,他们发现,具有统计意义的是,他们能够创造和检测到单个量子振动。

苏希尔说:“这是一种雄心勃勃的主张,我们必须谨慎地进行科学严谨的研究,不允许有任何合理的怀疑。”

当他们发送第二个激光脉冲来验证单个声子确实被创造出来时,研究人员延迟了这个脉冲,在激发的声子能量开始衰减的时候发送到钻石中。通过这种方式,他们能够收集声子自身衰变的方式。

“因此,我们不仅能够探测单个声子的诞生,还能够探测它的死亡,”Sudhir说。“现在我们可以说,‘用这种技术来研究一个声子在你选择的材料中消失需要多长时间。这个数字非常有用。如果死亡所需的时间很长,那么这种材料就可以支持相干声子。如果是这样的话,你可以用它做一些有趣的事情,比如太阳能电池中的热传输,以及量子计算机之间的互连。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/single-quantum-vibration-normal-1007

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