根據經典物理學定律的觀點,撥動吉他琴弦會讓它產生振動,像波一樣上下移動。但是依照量子力學的理論,振動不僅表現為波的形式,還應該表現為粒子的形式。同樣的吉他弦,從量子水平上觀察時,需要引入聲子的概念。近日,據報道,美國麻省理工學院(MIT)和瑞士聯邦理工學院(FIT)的科學家們首次于室溫下在鉆石樣品中創造并觀察到了單個聲子。此前,單聲子的觀察只能在超低溫、真空條件下且經過精確設計的微觀材料中進行。


MIT和FIT在常規條件下觀察了單量子振動


聲子,不僅是量子力學中描述振動的單個粒子,也與熱有關聯。例如,當一個由有序晶格構成的晶體一端受熱時,量子力學認為熱量會以聲子或分子鍵振動的形式在晶體中傳播。由于聲子對熱很敏感,因此很難被探測到。如果聲子本身的能量較低,周圍熱量很可能會觸發聲子的集體激發,這會使單個光子的探測像大海撈針一樣困難。


此前,雖然有研究人員在超低溫條件下,用特別設計的材料實現了單聲子的測定。但MIT天體物理與空間研究所博士后研究員Vivishek Sudhir認為,科學家們應該擺脫復雜條件,將量子效應帶到普通環境中。Sudhir說:“從某種意義上來說,這就像是讓量子力學大眾化。”


在這項新的研究中,研究人員選擇了鉆石作為實驗對象。在鉆石中,聲子的運轉頻率高達幾十太赫茲,以至于在室溫下,單聲子的能量甚至高于周圍的熱能。Sudhir說:“當把這種鉆石晶體放置在室溫環境中時,由于沒有足夠能量激發,聲子運動甚至不存在。”為了激發單個聲子,研究人員向鉆石樣品發射了第一道高頻激光脈沖,希望激光脈沖中的某個光子能與聲子產生相互作用后反射回來。為了破譯被激發的聲子數量,研究人員發射了第二道激光脈沖。對于被第一道脈沖激發的聲子,第二道脈沖可以使它“失活”。為了證實這一切,研究人員設置了兩個探測器來捕捉與聲子產生了相互作用的光子。


光子與聲子相互作用的概率大約是100億分之一。Sudhir等以每秒8000萬次的脈沖對鉆石進行了轟擊。在數小時內,他們大概能探測到100萬次光子-聲子的相互作用。最后,他們發現,在統計學意義上,他們能夠創造和檢測到單個量子振動。


當Sudhir等發送第二道激光脈沖時,研究人員進行了延遲了操作——在激發的聲子能量開始衰減時才發射向鉆石樣品。由此,他們能夠發現聲子自身的衰變方式。Sudhir說:“我們不僅能夠探測單個聲子的誕生,還能探測它的衰亡。現在我們可以說,我們掌握了聲子在材料中的持續時間。這個數字很關鍵,如果衰亡時間很長,那么這種材料就可能支持相干聲子。這類材料就能用于太陽能電池的熱傳輸,以及量子計算機的互連。”


關于量子


量子(quantum)是現代物理的重要概念。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,并把最小單位稱為量子。

我來說幾句

不吐不快,我來說兩句
最新評論

還沒有人評論哦,搶沙發吧~