“更贴近我们的日常生活” –科学家在室温下观察到单个量子振动

麻省理工学院的研究人员在室温下检测出钻石样品（此处显示）中的单个量子振动。

弹奏吉他弦时，它会像任何振动的物体一样振动，就像古典物理学定律所预测的那样，像波浪一样起伏。但是根据描述物理学在原子尺度上工作方式的量子力学定律，振动不仅应表现为波，而且应表现为粒子。在量子水平上观察时，同一根吉他弦应作为声子的单个能量单位振动。

现在，麻省理工学院和瑞士联邦理工学院的科学家首次在室温下用普通材料制造并观察到一个声子。

到目前为止，只有在超冷温度和研究人员必须在真空中探测的经过精确工程设计的微观材料中才能观察到单声子。相比之下，研究小组在室温下露天的一块钻石中创造并观察了单个声子。研究人员在今天（2019年10月7日）在《 Physical Review X》上发表的一篇论文中写道，结果``使量子行为更接近我们的日常生活''。

麻省理工学院卡夫里天体物理与空间研究所的博士后Vivishek Sudhir说：“我们的日常经验是振动-波动-量子力学告诉我们必须是-粒子之间存在二分法。”“由于我们的实验是在非常实际的条件下进行的，因此打破了我们日常经验与物理学告诉我们的实际情况之间的这种紧张关系。”

团队开发的技术现在可以用于探测其他常见材料的量子振动。这可能有助于研究人员表征太阳能电池中的原子过程，并确定为什么某些材料在高温下超导的原因。从工程角度来看，该团队的技术可用于识别常见的携带声子的材料，这些材料可在未来的量子计算机之间实现理想的互连或传输线。

该论文的主要作者之一苏迪尔说：“我们的工作意味着我们现在可以使用更广泛的系统供选择。”

Sudhir的合著者是瑞士联邦理工学院的Santiago Tarrago Velez，Kilian Seibold，Nils Kipfer，Mitchell Anderson和Christophe Galland。

“使量子力学民主化”

声子是量子力学描述的振动的单个粒子，也与热有关。例如，当一个由相互连接的原子的有序晶格制成的晶体在一端被加热时，量子力学预测热量以声子或分子间键的不连续振动形式通过声子传播。

单声子很难检测，主要是因为它们对热敏感。声子易受任何大于其自身的热能的影响。如果声子本来就很低，那么暴露于较高的热能下可能会触发材料的声子激发大量能量，从而使单个光子的探测成为一个麻烦。

观察单声子的最初尝试是使用专门设计的材料在相对较高的能量下可容纳很少的声子。然后，这些研究人员将这些材料浸入Sudhir描述为“残酷，剧烈的低温”的接近于零的冰箱中，以确保周围的热能低于材料中的声子的能量。

Sudhir解释说：“如果是这种情况，那么声子的振动就不能从热环境中借用能量来激发一个以上的声子。”

然后，研究人员向材料中发射了一个光子脉冲（光粒子），希望一个光子会与单个声子相互作用。发生这种情况时，在称为拉曼散射的过程中，光子应以相互作用的声子赋予其的不同能量反射回去。这样，研究人员即使在超冷温度和精心设计的材料中也能够检测到单个声子。

“我们在这里要做的是问一个问题，如何摆脱围绕该物体创建的复杂环境，并将这种量子效应带到我们的环境中，以便在更常见的材料中看到它，” Sudhir说。“从某种意义上讲，这就像使量子力学民主化。”

百万分之一

对于这项新研究，研究小组将Diamond作为测试对象。在钻石中，声子自然会在数十太赫兹的高频下工作—太高了，以至于在室温下，单个声子的能量高于周围的热能。

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

在这种振动安静的声子混合中，研究人员旨在仅激发单个声子。他们将高频激光脉冲（每个脉冲由1亿个光子组成）发送到钻石（一种由碳原子组成的晶体）中，这其中一个偶然的机会是它们中的一个会相互作用并反射出声子。然后，研究小组将测量碰撞中光子下降的频率-确认它确实撞击了一个声子，尽管此操作无法辨别在此过程中是否激发了一个或多个声子。

为了解密激发的声子的数量，研究人员在声子的能量逐渐衰减时向钻石发出了第二个激光脉冲。对于第一个脉冲激发的每个声子，第二个脉冲可以将其去激励，以新的，更高能量的光子的形式带走该能量。如果最初仅激发一个声子，则应创建一个新的更高频率的光子。

为了证实这一点，研究人员放置了一个半透明玻璃，这个新的，更高频率的光子将通过该玻璃离开钻石，并且在玻璃的两侧都装有两个检测器。光子不会分裂，因此，如果多个声子被激发然后被激发，则产生的光子应穿过玻璃并随机散射到两个探测器中。如果只有一个检测器“点击”，表明检测到单个光子，则研究小组可以确保该光子与单个声子相互作用。

Sudhir说：“这是确保我们仅观察到一个声子的巧妙技巧。”

光子与声子相互作用的概率约为100亿分之一。在他们的实验中，研究人员以每秒8000万个脉冲的速度对钻石进行了爆炸-Sudhir称之为在数小时内“数亿亿个光子的火车”，以检测约100万个光子-声子的相互作用。最后，他们发现具有统计学意义的结果是，他们能够创建和检测单个振动量子。

Sudhir说：“这是一个雄心勃勃的主张，我们必须谨慎地严格完成科学，没有合理怀疑的余地。”

当发送第二个激光脉冲以验证确实创建了单个声子时，研究人员延迟了该脉冲，并在激发的声子开始消退能量时将其发送到钻石中。这样，他们就能收集声子本身衰减的方式。

Sudhir说：“因此，我们不仅可以探测单个声子的诞生，还可以探测声子的死亡。”“现在我们可以说，‘请使用这项技术来研究单个声子在您选择的材料中消失所需的时间。”这个数字非常有用。如果死亡所需的时间很长，那么该材料可以支撑相干的声子。如果是这样，您可以用它做一些有趣的事情，例如太阳能电池中的热传输以及量子计算机之间的互连。

参考：Santiago Tarrago Velez，Kilian Seibold，Nils Kipfer，Mitchell D.Anderson，Vivishek Sudhir和Christophe Galland撰写的“在环境条件下振动的单个量子的准备和衰减”，X.DOI物理评论，2019年10月7日。
10.1103 / PhysRevX.9.041007