Als een gitaarsnaar wordt getokkeld, het trilt zoals elk trillend object zou doen, stijgen en dalen als een golf, zoals de wetten van de klassieke fysica voorspellen. Maar volgens de wetten van de kwantummechanica, die beschrijven hoe de natuurkunde werkt op atomaire schaal, trillingen moeten zich niet alleen als golven gedragen, maar ook als deeltjes. Dezelfde gitaarsnaar, wanneer waargenomen op een kwantumniveau, zouden moeten trillen als afzonderlijke energie-eenheden die bekend staan ​​​​als fononen.

Nu hebben wetenschappers van het MIT en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie voor het eerst een enkele fonon in een gewoon materiaal bij kamertemperatuur gemaakt en waargenomen.

Tot nu, enkele fononen zijn alleen waargenomen bij ultrakoude temperaturen en in nauwkeurig ontworpen, microscopische materialen die onderzoekers in een vacuüm moeten onderzoeken. In tegenstelling tot, het team heeft enkele fononen gemaakt en geobserveerd in een stuk diamant dat bij kamertemperatuur in de open lucht zit. De resultaten, schrijven de onderzoekers in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , "Breng kwantumgedrag dichter bij ons dagelijks leven."

"Er is een tweedeling tussen onze dagelijkse ervaring van wat een trilling is - een golf - en wat de kwantummechanica ons vertelt dat het moet zijn - een deeltje, " zegt Vivishek Sudhir, een postdoc in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van het MIT. "Ons experiment, omdat het wordt uitgevoerd onder zeer tastbare omstandigheden, doorbreekt deze spanning tussen onze dagelijkse ervaring en wat de natuurkunde ons vertelt dat het geval moet zijn."

De techniek die het team heeft ontwikkeld, kan nu worden gebruikt om andere veelvoorkomende materialen op kwantumtrillingen te onderzoeken. Dit kan onderzoekers helpen de atomaire processen in zonnecellen te karakteriseren, en identificeren waarom bepaalde materialen supergeleidend zijn bij hoge temperaturen. Vanuit een technisch perspectief, de techniek van het team kan worden gebruikt om gemeenschappelijke fonon-dragende materialen te identificeren die ideale verbindingen kunnen maken, of transmissielijnen, tussen de kwantumcomputers van de toekomst.

"Wat ons werk betekent, is dat we nu toegang hebben tot een veel breder palet aan systemen om uit te kiezen, " zegt Sudhir, een van de hoofdauteurs van het artikel.

Sudhir's co-auteurs zijn Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchel Anderson, en Christoffel Galland, van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie.

"Democratisering van de kwantummechanica"

fononen, de individuele trillingsdeeltjes beschreven door de kwantummechanica, worden ook geassocieerd met warmte. Bijvoorbeeld, wanneer een kristal, gemaakt van geordende roosters van onderling verbonden atomen, wordt aan één kant verwarmd, kwantummechanica voorspelt dat warmte door het kristal reist in de vorm van fononen, of individuele trillingen van de bindingen tussen moleculen.

Enkele fononen zijn extreem moeilijk te detecteren, voornamelijk vanwege hun gevoeligheid voor warmte. Fononen zijn gevoelig voor thermische energie die groter is dan die van henzelf. Als fononen inherent laag in energie zijn, dan kan blootstelling aan hogere thermische energie de fononen van een materiaal ertoe brengen om massaal te exciteren, het detecteren van een enkel foton een speld in een hooiberg maken.

De eerste pogingen om enkele fononen te observeren, deden dit met materialen die speciaal waren ontworpen om zeer weinig fononen te herbergen. bij relatief hoge energieën. Deze onderzoekers dompelden de materialen vervolgens onder in bijna-absolute-nul koelkasten die Sudhir beschrijft als "brutaal, agressief koud, " om ervoor te zorgen dat de omringende thermische energie lager was dan de energie van de fononen in het materiaal.

"Als dat het geval is, dan kan de [fonon]trilling geen energie lenen van de thermische omgeving om meer dan één fonon op te wekken, ' legt Sudhir uit.

De onderzoekers schoten vervolgens een puls van fotonen (lichtdeeltjes) in het materiaal, in de hoop dat één foton zou interageren met één enkele fonon. Wanneer dat gebeurt, het foton, in een proces dat bekend staat als Raman-verstrooiing, moet terugkaatsen naar een andere energie die eraan wordt gegeven door de interagerende fonon. Op deze manier, onderzoekers waren in staat om enkele fononen te detecteren, hoewel bij ultrakoude temperaturen, en in zorgvuldig ontworpen materialen.

"Wat we hier hebben gedaan, is de vraag stellen, hoe kom je af van deze gecompliceerde omgeving die je rond dit object hebt gecreëerd, en breng dit kwantumeffect naar onze omgeving, om het te zien in meer gebruikelijke materialen, " zegt Sudhir. "Het is in zekere zin alsof je de kwantummechanica democratiseert."

Een in een miljoen

Voor de nieuwe studie het team keek naar diamant als proefpersoon. in diamant, fononen werken van nature op hoge frequenties, van tientallen terahertz - zo hoog dat, op kamertemperatuur, de energie van een enkele fonon is hoger dan de omringende thermische energie.

"Als dit diamantkristal bij kamertemperatuur zit, fononbeweging bestaat niet eens, omdat er bij kamertemperatuur geen energie is om iets op te wekken, ' zegt Sudhir.

Binnen deze vibrerend stille mix van fononen, de onderzoekers wilden slechts één enkele fonon opwekken. Ze stuurden hoogfrequente laserpulsen, bestaande uit 100 miljoen fotonen elk, in de diamant - een kristal bestaande uit koolstofatomen - bij de kans dat een van hen zou interageren en zou reflecteren op een fonon. Het team zou dan de verminderde frequentie meten van het foton dat bij de botsing was betrokken - bevestiging dat het inderdaad een fonon had geraakt, hoewel deze operatie niet in staat zou zijn om te onderscheiden of een of meer fononen tijdens het proces werden geëxciteerd.

Om het aantal opgewonden fononen te ontcijferen, stuurden de onderzoekers een tweede laserpuls in de diamant, terwijl de energie van de fonon geleidelijk afnam. Voor elke fonon die wordt opgewekt door de eerste puls, deze tweede puls kan het de-exciteren, die energie wegnemen in de vorm van een nieuwe, hogere energie foton. Als er aanvankelijk maar één fonon was opgewonden, dan een nieuwe, er moet een hoogfrequent foton worden gemaakt.

Om dit te bevestigen, plaatsten de onderzoekers een semitransparant glas waardoor deze nieuwe, hoogfrequent foton zou de diamant verlaten, samen met twee detectoren aan weerszijden van het glas. Fotonen splitsen niet, dus als meerdere fononen werden aangeslagen en dan gedeëxciteerd, de resulterende fotonen moeten door het glas gaan en willekeurig in beide detectoren verstrooien. Als slechts één detector "klikt, " wat de detectie van een enkel foton aangeeft, het team kan er zeker van zijn dat dat foton interageerde met een enkele fonon.

"Het is een slimme truc die we spelen om ervoor te zorgen dat we slechts één fonon waarnemen, ' zegt Sudhir.

De kans dat een foton een interactie aangaat met een fonon is ongeveer één op 10 miljard. In hun experimenten, de onderzoekers bestraalden de diamant met 80 miljoen pulsen per seconde - wat Sudhir beschrijft als een "trein van miljoenen miljarden fotonen" gedurende enkele uren, om ongeveer 1 miljoen foton-fonon-interacties te detecteren. Uiteindelijk, ze vonden, met statistische significantie, dat ze in staat waren om een ​​enkel kwantum van trillingen te creëren en te detecteren.

"Dit is een soort van ambitieuze claim, en we moeten oppassen dat de wetenschap rigoureus wordt gedaan, zonder enige ruimte voor redelijke twijfel, ' zegt Sudhir.

Bij het verzenden van hun tweede laserpuls om te verifiëren dat er inderdaad enkele fononen werden gemaakt, de onderzoekers vertraagden deze puls, in de diamant zond terwijl de opgewonden fonon in energie begon weg te ebben. Op deze manier, ze waren in staat om de manier te achterhalen waarop de fonon zelf verviel.

"Dus, niet alleen zijn we in staat om de geboorte van een enkele fonon te onderzoeken, maar we zijn ook in staat om zijn dood te onderzoeken, " zegt Sudhir. "Nu kunnen we zeggen, 'ga deze techniek gebruiken om te bestuderen hoe lang het duurt voordat een enkele fonon uitsterft in je materiaal naar keuze.' Dat nummer is erg handig. Als de tijd die nodig is om te sterven erg lang is, dan kan dat materiaal coherente fononen ondersteunen. Als dat het geval is, je kunt er leuke dingen mee doen, zoals thermisch transport in zonnecellen, en onderlinge verbindingen tussen kwantumcomputers."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.