Зазирнути углиб атома. Як вчені наблизилися до створення квантового світла
Наукпоп4 лютого 2023, 07:02
Згідно зі Стандартною моделлю фізики елементарних частинок, сьогодні ми напевно знаємо про існування всього шести типів субатомних часток, включаючи протони, нейтрони, адрони, електрони, кварки та бозони. Ці частки, своєю чергою, поділяються різні підвиди залежно від своїх характеристик, включаючи заряд, кількість кварків і антикварків, значення спіну
Наприклад, у кварків є кілька «ароматів»; електрони та електронне нейтрино відносяться до типу лептонів; частинки з напівцілим спином є ферміонами, а з цілим 1 бозон; ферміони, що сильно взаємодіють та складаються з трьох кварків — це баріони.
Фізики-теоретики також виділяють багато гіпотетичних і квазічасток, які можуть виявлятися лише в певних умовах, або про існування яких ми лише здогадуємось. Дослідити субатомні частки допомагають колайдери, які буквально зіштовхують один з одним пучки часток на високих швидкостях та аналізують отримані результати.
Подібні експерименти мають відповісти на низку фундаментальних запитань квантової механіки, починаючи від характеристик чорних дір, темної енергії/темної матерії та завершуючи розробкою апаратного забезпечення для квантових комп'ютерів.
Нещодавно вчені з Гарвардського університету опублікували результати дослідження, згідно з якими черговим проривом у теоретичній фізиці може стати відкриття нового світла. Що це означає насправді?
Передплатіть NV Преміум та читайте без обмежень
Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою
Новий рівень квантового контролю
Автори дослідження, опублікованого наприкінці 2022 року в журналі Nature, запевняють, що новий тип «квантового світла» дозволить вченим зазирнути ще глибше всередину атомів, а також надасть нові інструменти контролю субатомних частинок.
Йдеться про новий стан світла, що виникає в результаті генерації високих гармонік, нелінійного процесу, під час якого газ, плазма або твердий зразок піддають впливу високочастотного лазерного випромінювання.
«Хоча генерація високих гармонік була добре вивчена з погляду класичної фізики, використання її квантових властивостей могло б прокласти шлях до розробки нових станів світла у широкосмуговому спектрі та сприяти амбітній меті поєднання квантової оптики та атофізики», — цитує результати дослідження видання Vice.
Аттофізикою називають галузь досліджень швидкопротікаючих фізичних процесів, які тривають протягом найменших доступних для вимірювання часток секунд (атосекунда — одна квінтильйонна частка секунди).
За словами одного з авторів дослідження, молодшого наукового співробітника Гарвардського університету Ніколаса Рівера, квантово-механічні експерименти часто демонструють нові властивості світла, які неможливо пояснити за допомогою класичної фізики. Тому світло, що проявляє такі властивості, прийнято називати "квантовим".
"Особливо привабливими є "багатофотонні квантові стани світла", простіше кажучи, стани світла з унікальними квантовими властивостями, які також складаються з безлічі фотонів, які, як вважають, забезпечують прогрес у надточних вимірах, системах зв'язку та квантових обчисленнях", — розповів Рівера.
Створити такий стан світла можна за допомогою перетворення лазерних фотонів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль на більш енергійні ультрафіолетові або рентгенівські діапазони світлового спектру. Отриманий квантовий імпульс можна спостерігати протягом 100 аттосекунд. Але навіть за такий короткий час вчені встигають проаналізувати деякі фізичні та хімічні процеси всередині атомів цього світла.
У новому дослідженні команда вчених припускає, що квантову версію генерації високих гармонік можна отримати завдяки заплутуванню автомів у цільовому матеріалі. Отже, фізики-теоретики хочуть створити «корельовану квантову матерію, яка відображатиме внутрішні кореляції між складовими матерії».
Дослідники з Гарварду кажуть, що реалізація цього експерименту в перспективі дозволить візуалізувати різні біологічні зразки з безпрецедентною точністю, а також допоможе засікати приховані деталі надшвидких взаємодій та властивостей об'єктів у субатомних масштабах.
"Тим не менш, робота тут — це тільки початок цього бачення, і зрештою мине деякий час, перш ніж ми зможемо дізнатися весь потенціал використання кореляцій світла для корисних висновків кореляцій матерії", — резюмує Рівера.
Нова заплутаність
Раніше колеги гарвардських фізиків із Брукхейвенської лабораторії у передмісті Нью-Йорка виявили незвичайну взаємодію йонів золота під час експериментів на Релятивістському колайдері важких йонів (RHIC).
Виявилося, що дрібні частки у певних умовах не стикалися одна з одною безпосередньо, але при цьому вони відображали внутрішню структуру протилежних йонів.
Автори відкриття заявили, що це було «перше в історії експериментальне спостереження квантової заплутаності між різнорідними частками».
Завдяки надзвичайно високій інтенсивності зіткнень важких йонів, фізики змогли «розплавити» окремі протони та нейтрони, витягнувши назовні їхні будівельні блоки — кварки, пов'язані між собою глюонами.
В результаті взаємодії фотонів з глюонами вчені також виявили проміжну частинку ро-мезон, яка негайно розпадається на два пі-мезони з протилежними зарядами, відзначеними як π+ і π-. Саме квантова інтерференція, що спостерігається між частинками π+ та π-, вперше дозволила фізикам проаналізувати розподіл глюонів у кількох вимірах усередині атомного ядра.
«Тепер ми можемо отримати зображення, на якому справді можна розрізнити щільність глюонів під певним кутом та радіусом. Зображення настільки чіткі, що ми навіть можемо почати бачити різницю між тим, де знаходяться протони і де розташовані нейтрони в цих великих ядрах», — заявив колишній співробітник Брукхейвенської лабораторії Джеймс Деніел Бранденбург.
Подальші експерименти в RHIC дозволять детальніше досліджувати розподіл глюонів усередині атомних ядер і, ймовірно, виявити інші види квантової заплутаності.