Vaizdas: David Wall per „Getty Images“.
SANTRAUKA suardo mintis verčiančius mokslinius tyrimus, ateities technologijas, naujus atradimus ir didelius laimėjimus.
Protu nesuvokiamas naujas „kvantinės šviesos“ tipas gali leisti mokslininkams pažvelgti į atomų vidų ir valdyti kai kurias keistas šviesos dalelių arba fotonų galias šiose mažose kvantinėse skalėse, praneša naujas tyrimas.
Nors šiuo metu ši kvantinės šviesos forma tebėra teorinė, mokslininkai mano, kad ji netrukus gali būti eksperimentiškai pademonstruota esama įranga, o tai gali paskatinti naujas mikroskopijos ir kvantinio skaičiavimo technologijas. Ši technika taip pat galėtų paskatinti atradimus tokiose srityse kaip „attomokslas“, nagrinėjantis sąveiką, kuri vyksta per itin trumpą attosekundės laiką (milijardoji milijardoji sekundės dalis), ir galėtų išspręsti ilgametes medžiagų fizikos paslaptis.
Šviesa yra tokia visur mūsų gyvenime, kad lengva pamiršti, kad ji apskritai yra. Kiekvieną dieną mus maudosi saulės spinduliai, mūsų namų įranga, miesto aplinka ir daugybė kitų šaltinių. Šiose didesnėse mastelėse fotonus valdo žinomi klasikinės fizikos dėsniai, bet jei susitrauksite iki atomų skalės, kvantinės mechanikos taisyklės perims viršų. Esant tokiam dydžiui, visata yra pripildyta visokių triukų nesąmonių, tokių kaip kvantinis susipynimas, dėl kurio dalelės sinchronizuojasi net dideliais atstumais.
Dabar mokslininkai numatė visiškai naują šviesos būseną, kuri sukuria kvantinį reiškinį, vadinamą aukštos harmonikos generavimu, kuris apima fotonų iš lazerių energijos perdavimą į daug aukštesnius dažnius.
Nors aukštos harmonikos generavimas buvo gerai ištirtas klasikinės fizikos požiūriu, panaudojus jos kvantines savybes būtų galima „[pave] kelias į naujų šviesos būsenų inžineriją plačiajuosčio ryšio spektre“ ir prisideda prie „ambicingo tikslo sujungti kvantinę optiką ir attosmokslą“. ketvirtadienį paskelbtame tyrime in Gamtos fizika.
„Dėl kvantinės mechaninės šviesos dėsnių atsiranda daug naujų šviesos elgsenų, kurių negalima paaiškinti klasikine teorija“, – el. laiške Motherboard sakė Nicholas Rivera, Harvardo universiteto jaunesnysis bendradarbis, vienas iš tyrimo autorių. „Šviesą, pasižyminčią šiomis savybėmis, vadiname kvantinėmis šviesos būsenomis“.
„Ypač patrauklios yra „daug fotonų kvantinės šviesos būsenos“, kurios paprasčiausiai tariant, šviesos būsenos su unikaliomis kvantinėmis savybėmis, kurios taip pat susideda iš daugybės fotonų, kurie, kaip manoma, įgalina itin tikslius matavimus, ryšių sistemas ir kvantinis skaičiavimas“, – pridūrė jis.
Atliekant klasikinius fizikos eksperimentus, aukštas harmonikas galima sukelti pašalinant elektronus iš medžiagos, tokios kaip kietoji medžiaga ar dujos, atomų, plaunant medžiagą itin stipriais lazerio sprogimais. Tada elektronai rekombinuojasi su atomais, išskirdami fotonus, kurių dažnis yra daug didesnis nei originali lazerio šviesa. Pavyzdžiui, aukštos harmonikos gali būti sukurtos paverčiant infraraudonųjų bangų ilgio lazerio fotonus į energingesnes ultravioletinių arba rentgeno spindulių šviesos spektro juostas.
“Aukštos harmonikos generavimas yra ekstremalaus” konversijos “procesas, kurio metu žemo dažnio fotonai paverčiami aukšto dažnio fotonais”, – paaiškino Rivera. „Be to, aukštyn konvertuoti fotonai gali egzistuoti kaip labai trumpi impulsai, kurių trukmė yra maždaug 100 atosekundžių. Itin trumpa šių impulsų trukmė yra gana patraukli, nes žadama vizualizuoti fizinius ir cheminius procesus, vykstančius tais pačiais itin trumpais laiko tarpais.
„Pavyzdžiui, elektronų judėjimas atomuose ir molekulėse vyksta šiais itin trumpais laiko tarpais“, – pažymėjo jis. „Apskritai, aukštos harmonikos generavimas žada atverti naują langą į elektronų, atomų ir molekulių savybes, kurios bus pritaikytos visuose moksluose.
Rivera ir jo kolegos pirmą kartą pradėjo tyrinėti, ar aukštos harmonikos generavimas gali sukurti daugelio fotonų kvantines šviesos būsenas prieš kelerius metus, ir savo pirmines išvadas išdėstė 2020 m. tyrime. Šis projektas atskleidė, kad aukštos harmonikos generavimo kvantiniai matmenys buvo beveik neištirti, todėl mokslininkai pastaruosius kelerius metus praleido tyrinėdami šio reiškinio matematinius pagrindus atominėse skalėse.
Naujajame tyrime komanda teigia, kad kvantinė aukštos harmonikos generavimo versija galėtų būti sukurta, jei tikslinėje medžiagoje esantys atomai būtų įsipainioję, o tai reiškia, kad jų savybės būtų koreliuojamos tokiu keistu būdu, kuris matomas tik labai mažu masteliu.
Ką visa tai reiškia? Ši nauja kvantinės šviesos forma galėtų suteikti precedento neturintį aiškumą naujų sudėtingų medžiagų, tokių kaip biologiniai mėginiai, vaizdavimo technikos, taip pat galėtų atskleisti paslėptas detales apie itin greitą objektų sąveiką ir savybes atominėse skalėse.
„Vizija yra tokia, kad kvantinės šviesos savybės, kurias sukuria koreliuotos kvantinės medžiagos daugelio kūnų sistema, turėtų atspindėti vidinę materijos sudedamųjų dalių koreliaciją“, – sakė Rivera. „Sąryšių tyrimas yra šiuolaikinių medžiagų tyrimo pagrindas – taigi, naudojant eksperimentinę techniką, kuri galėtų labai tiksliai išgauti koreliacijas, būtų galima ją panaudoti medžiagų, kurios iki galo nesuprato (kurios Šiuolaikinėje medžiagų fizikoje jų yra daug).
„Tai reiškia, kad darbas čia yra tik šios vizijos pradžia, ir galiausiai praeis šiek tiek laiko, kol galėsime pažinti visas šviesos koreliacijų panaudojimo galimybes, kad būtų galima daryti išvadas apie materijos koreliacijas“, – pažymėjo jis.
Tuo tikslu mokslininkai tiksliai nustato dvi esamas eksperimentines sąrankas, kurios galėtų sukurti šią naują kvantinės šviesos formą, ir pažymi, kad jų nauja teorija „gali būti priimta arba apibendrinta keliomis skirtingomis tyrimų kryptimis“, teigiama tyrime.
„Klausimas, koks yra geriausias įgyvendinimas, galiausiai mums vis dar yra atviras klausimas, kurį dabar stengiamės suprasti“, – sakė Rivera. „Vis dėlto viena įdomi sritis, kurioje, mūsų manymu, kai kurias iš šių idėjų būtų galima išbandyti, yra „aukštos harmonikos generavimas kietose medžiagose“, kur aukšto dažnio šviesą gaminantis taikinys yra ne dujos, o kieta medžiaga“.
„Kietosios medžiagos gali turėti stiprią kvantinę koreliaciją tarp sudedamųjų elektronų, todėl įdomu ištirti, kaip šios koreliacijos pasireiškia skleidžiamoje šviesoje“, – padarė išvadą jis. “[T]Tai yra klausimas, dėl kurio reikės išplėsti mūsų teoriją, kad galėtume tiksliai apibūdinti kietųjų medžiagų kvantinę šviesos spinduliuotę, ir tai yra sritis, kurią mes labai norime plėtoti.