Információformálás fényalapú kvantumállapotokkal: A polaritonok világa
Az anyag különleges új formájáról számolt be a Chicagói Egyetem Jonathan Simon által vezetett laboratóriuma a Nature-ben július elején. Az új anyagtípusban az atomok és a fotonok tulajdonságai elválaszthatatlanul összekapcsolódnak - írták. Ez a felfedezés új és szokatlan kvantumfizikai jelenségek vizsgálatára nyújt lehetőséget különleges effektusok létrehozásával, de biztatóak a gyakorlati alkalmazási lehetőségek is. Különösen izgalmas területe az információ kódolása és továbbítása, ahol a fény szerepe kulcsfontosságú.
Atomok és fotonok kölcsönhatása: A klasszikus és kvantummechanikai különbségek
Klasszikus versus kvantummechanikai viselkedés
A megértés érdekében szemléltessük az atomok és a fotonok közötti különbséget. Ütköztessünk össze két golyót, ekkor mindkét golyó mozgása megváltozik. Indítsunk el két lézersugarat és a két nyaláb útja keresztezze egymást: a találkozás után a két nyaláb változatlanul halad tovább. Ez a klasszikus fizika szerinti elképzelés, azonban a kvantumvilágban egészen más kölcsönhatások jöhetnek létre.
A polaritonok születése
Létrehozhatók azonban olyan különleges körülmények, amikor erős csatolás jön létre az atomok és a fotonok között, ezt a csatolt állapotot nevezzük polaritonnak. Ennek alapja a rezonanciaelv.
A rezonanciaelv és a spektrumvonalak
A diszkrét sávok felfedezése
Az egyes atomok jól definiált hullámhosszon sugároznak, vagy nyelik el a fényt, ezt nevezzük spektrumvonalaknak, vagy -sávoknak. A 19. század végén figyelték meg ezeket a diszkrét sávokat, amelyek eredetét nem tudta megmagyarázni a klasszikus fizika. Hidrogénatomok esetén Johannes Rydberg (1854-1919) svéd fizikus találta meg azt a matematikai formulát, ami leírta az egyes vonalak hullámhosszfüggését.
Ha olyan fénnyel világítjuk meg az atomokat, amely megfelel valamilyen sávnak, akkor az atomok rezonanciaszerűen nyelik el a fényt. De ez még nem polariton, csak a kiindulópont.
Polaritonok létrehozása és manipulálása optikai üregekben
Optikai üregek és állóhullámok
Polaritonok létrehozásához optikai üreggel állóhullámokat kell létrehozni. Ennek elve, hogy négy parányi tükörrel ide-oda tükröztetjük a fényt, amely ennek során az üregben állóhullámokat hoz létre.
Atomi gáz bevezetése
Ebbe az optikai üregbe kell bevinni egy atomokból álló gázt, és úgy kell megválasztani az üreg méretét, hogy az abban kialakuló hullámok hosszúsága pontosan megfeleljen valamelyik atomi sávnak. Ezt a rendszert már tekinthetjük polaritonnak, de a kísérletezőknek arra volt szüksége, hogy a polaritonok közötti kölcsönhatást tudják kimutatni.
A Floquet-moduláció forradalma
Ennek érdekében olyan optikai üreget hoztak létre, amelynek két kis mértékben eltérő rezonancia frekvenciája van, és meg kellett oldani, hogy egyidejűleg mindkét frekvencia megjelenjen az atom színképében. Ez utóbbit oldották meg a Floquet-moduláció segítségével. Ebben a módszerben a lézerfény amplitúdóját periodikusan változtatják, így a gerjesztési amplitúdó is periodikusan változik.
A kísérlet részletei: Rubídiumatomok és Rydberg-állapotok
Alacsony hőmérsékletű rubídium
A konkrét kísérletben ezer körüli rubídiumatomot alkalmaztak olyan alacsony hőmérsékleten, amikor valamennyi atom besugárzás nélkül az 5S1/2 alapállapotban van. A rubídiumatom rendszáma 37, azaz az atommagban 37 pozitív töltésű proton van, és az elektronfelhőt 37 részecske alkotja. Ebből 36 zárt héjakat alkot, viszont egyetlen elektron kikerül a külső n=5 főkvantumszámú pályára.
Elektronpályák gerjesztése
A kísérletben 780 nm hullámhosszú lézerfényt alkalmaztak, ami az elektront az 5P3/2 pályára gerjeszti.
Moduláció és alsávok
Modulációt úgy hoznak létre, hogy a gerjesztés hatásfokát periodikusan változtatják, azaz képletesen szólva „megrázzák” a gerjesztett elektronpályát. Ennek következtében az eredeti 780 nm hullámhosszú sáv alsávokra bomlik, amelyek eltérését a fősávtól a modulációs frekvencia határozza meg.
Rydberg-pályák jelentősége
A sikeres kísérlethez ezen kívül még egy további csavarra volt szükség. Ennek oka, hogy a polaritonok közötti kölcsönhatás mértéke a gerjesztett elektronpálya sugarától is függ, és ehhez az 5P3/2 pálya kiterjedése nem elég, mert nem éri el az optikai üreg méretét. Emiatt vették célba a nagy főkvantumszámú n=100 pályát, amelynek sugara meghaladja az üreg szélességét. Ezt az elektronpályát nevezik Rydberg-pályának.
A Rydberg-pálya magyarázata
Az elnevezés onnan származik, hogy ez a nagy sugarú pálya már teljes egészében a belső pályákon kívül van, és így a belső 36 elektron árnyékoló hatása miatt a külső elektronra a 37 proton töltése helyett csak egyetlen pozitív elemi töltés hat. Ez azt eredményezi, hogy az elektronpálya energiája pontosan megfelel a hidrogén esetének, amelyet a Rydberg-formula ír le.
Rubídium elektronállapotok áttekintése a kísérletben
| Elektronállapot | Főkvantumszám | Pálya sugara | Kísérleti szerepe |
|---|---|---|---|
| 5S1/2 | n=5 | Kicsi | Alapállapot, besugárzás nélkül |
| 5P3/2 | n=5 | Nem elegendő a kölcsönhatáshoz | 780 nm lézerrel gerjesztett állapot |
| n=100 | n=100 | Meghaladja az üreg szélességét | Rydberg-pálya, erős kölcsönhatás biztosítása |
A konkrét kísérleti elrendezés
Ezután már rátérhetünk a konkrét kísérlet leírására. Ebben a 780 nm-es modulált sugárzás két ellentétes irányból éri az optikai üreget, a modulációs frekvencia hangolásával elérve, hogy mind a két modussal biztosítva legyen a rezonancia.
Jelentőség és gyakorlati alkalmazások
Új kvantumfizikai jelenségek
Ez a felfedezés új és szokatlan kvantumfizikai jelenségek vizsgálatára nyújt lehetőséget különleges effektusok létrehozásával.
Potenciális alkalmazások
Biztatóak a gyakorlati alkalmazási lehetőségek is. Csak egy példát említve: a frekvenciasávok modulálása lehetővé teszi az információ titkos kódolását, ami forradalmasíthatja a kommunikációs technológiákat és a kvantum-számítástechnikát.
tags: #dontoen #a #fenyellatottsag #alakitja #ki
