根据经典物理学定律的观点,拨动吉他琴弦会让它产生振动,像波一样上下移动。但是依照量子力学的理论,振动不仅表现为波的形式,还应该表现为粒子的形式。同样的吉他弦,从量子水平上观察时,需要引入声子的概念。近日,据报道,美国麻省理工学院(MIT)和瑞士联邦理工学院(FIT)的科学家们首次于室温下在钻石样品中创造并观察到了单个声子。此前,单声子的观察只能在超低温、真空条件下且经过精确设计的微观材料中进行。


MIT和FIT在常规条件下观察了单量子振动


声子,不仅是量子力学中描述振动的单个粒子,也与热有关联。例如,当一个由有序晶格构成的晶体一端受热时,量子力学认为热量会以声子或分子键振动的形式在晶体中传播。由于声子对热很敏感,因此很难被探测到。如果声子本身的能量较低,周围热量很可能会触发声子的集体激发,这会使单个光子的探测像大海捞针一样困难。


此前,虽然有研究人员在超低温条件下,用特别设计的材料实现了单声子的测定。但MIT天体物理与空间研究所博士后研究员Vivishek Sudhir认为,科学家们应该摆脱复杂条件,将量子效应带到普通环境中。Sudhir说:“从某种意义上来说,这就像是让量子力学大众化。”


在这项新的研究中,研究人员选择了钻石作为实验对象。在钻石中,声子的运转频率高达几十太赫兹,以至于在室温下,单声子的能量甚至高于周围的热能。Sudhir说:“当把这种钻石晶体放置在室温环境中时,由于没有足够能量激发,声子运动甚至不存在。”为了激发单个声子,研究人员向钻石样品发射了第一道高频激光脉冲,希望激光脉冲中的某个光子能与声子产生相互作用后反射回来。为了破译被激发的声子数量,研究人员发射了第二道激光脉冲。对于被第一道脉冲激发的声子,第二道脉冲可以使它“失活”。为了证实这一切,研究人员设置了两个探测器来捕捉与声子产生了相互作用的光子。


光子与声子相互作用的概率大约是100亿分之一。Sudhir等以每秒8000万次的脉冲对钻石进行了轰击。在数小时内,他们大概能探测到100万次光子-声子的相互作用。最后,他们发现,在统计学意义上,他们能够创造和检测到单个量子振动。


当Sudhir等发送第二道激光脉冲时,研究人员进行了延迟了操作——在激发的声子能量开始衰减时才发射向钻石样品。由此,他们能够发现声子自身的衰变方式。Sudhir说:“我们不仅能够探测单个声子的诞生,还能探测它的衰亡。现在我们可以说,我们掌握了声子在材料中的持续时间。这个数字很关键,如果衰亡时间很长,那么这种材料就可能支持相干声子。这类材料就能用于太阳能电池的热传输,以及量子计算机的互连。”


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量子(quantum)是有关黄色视频的网站物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

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