01.10.2022
квантовая волновая функция

Физики впервые взглянули на квантового «призрака»

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Волновая функция – абстрактное понятие, которое используют для предсказания поведения квантовых частиц, – является краеугольным камнем, на котором основано понимание квантовой механики. Но сама по себе эта функция не является чем-то, что физики хорошо понимают, причем как в буквальном, так и в философском смысле, пишет Scientific American.

Волновую функцию невозможно подержать в руке или увидеть под микроскопом. Но больше всего сбивает с толку то, что отдельные ее свойства вообще кажутся ненастоящими. Собственно, математики открыто обозначили бы эти свойства как мнимые. «Мнимыми» математики называют числа, которые можно получить, добывая квадратный корень из отрицательного числа. Такие числа, впрочем, являются важным компонентом волновой функции, которая позволяет прогнозировать результаты вполне реальных физических экспериментов. Иначе говоря, если волновая функция вообще существует, то она занимает некое промежуточное пространство между метафизической математикой и физической реальностью.

Теперь исследователи из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре (UCSB) добились значительных успехов в объединении этих, казалось бы, несовместимых сфер. Впервые им удалось воссоздать волновую функцию на основе измерения реакции полупроводникового материала на сверхбыстрый световой импульс. Исследования этих ученых, опубликованное в журнале Nature в ноябре, может вывести электронную инженерию на совершенно новый уровень и способствовать разработке чрезвычайно точных квантово-электронных устройств.

Мистическая квантовая функция является основным источником информации для физиков о том, что происходит внутри квантовой системы. Чтобы предусмотреть скоростью движения электрона внутри материала или количество энергии, которую он может потерять, исследователи должны прежде всего начать свой анализ с так называемой функции Блоха, названной в честь физика Феликса Блоха, который обосновал ее еще в 1929 году. Это особенно важно во время инженерии квантовых устройств, - говорит Джо Костелло, студент физического факультета UCSB и соавтор последнего исследования. "Если вы хотите создать любое устройство, которое использовало бы преимущества квантовой механики, вам нужно очень хорошо знать параметры его волновой функции», – отмечает исследователь.

Свойства волновой функции включают так называемую фазу - полностью воображаемый параметр, который, однако, имеет решающее значение для разработки квантовых компьютеров. «Этот параметр позволяет охарактеризовать энергию электронов. Это основа всей электроники. Однако следующее поколение квантовых информационных технологий должно выйти за пределы этого метода и, наконец, установить эти параметры волновой функции», – говорит Маккилло Кира, физик из Мичиганского университета, который читал ранний вариант исследования, но не принимал в нем участие.

Для этого команда из UCSB использовала два лазера и полупроводниковый материал из арсенида галлия. Их эксперимент состоял из трех этапов. На первом они ударяли по электронам внутри материала с помощью импульса инфракрасного лазера. Это придало частицам дополнительную энергию, которая позволила им быстро пройти сквозь полупроводник. Когда каждый отрицательно заряженный электрон начал свое движение, за ним двигалась так называемая дыра – идентичная электрону, но положительно заряженная квазичастица, напоминающая его тень. Затем с помощью еще одного лазерного импульса исследователи смогли отключить электрон и дыру, а затем быстро позволили им снова подключиться (такая же квантовая версия Питера Пэна, который сначала потерял, а затем нашел свою тень). Когда электрон воссоединился с дыркой, дополнительная энергия, которую каждый из них накопил во время своего «соло-забега», выделилась в виде вспышки света.

Еще десять лет назад группа физиков во главе с Марком Шервином из UCSB, которая изучала такие вспышки, заметила в них нечто необычное: их свойства были непонятно чувствительными к параметрам первичных лазерных импульсов, которые «запускали» эти частицы. Шервин и его коллеги поняли, что существуют не изученные закономерности в том, как полупроводниковые электроны реагируют на свет. Исследование, которое выполнил Циле Ву, член команды Шервина, показало, что на основе этой чувствительности можно реконструировать волновую функцию Блоха дырки в полупроводнике.

квантовые волныСвязь между поглощенным лазерным светом и вспышкой проявил себя во время измерения свойства, называемой поляризацией, то есть в направлении, в котором световые волны колеблются во время движения. В эксперименте поляризация лазерного света влияла на фазы волновых функций электронов и их «теней» – дыр – во время бега. Когда в результате их воссоединения в конце эксперимента выделился свет, его поляризация определялась этими двумя фазами волновой функции. Поскольку такие фазы в уравнениях физиков обычно представлены кажущимися, а действительными числами, доведение их связи с очень реальной и измерительной поляризацией света в эксперименте Ву и его сотрудников стало настоящим научным прорывом. По словам Шамбху Гимира, физика из Стэнфордского университета, который не принимал участия в исследовании, информацию, которую раньше считали чисто математической, впервые удалось получить с помощью света. «Эти методы могут быть концептуально сложными, однако они обеспечивают физический доступ к мнимой части комплексного числа волновой функции, который недостижим для традиционных методов», – резюмирует исследователь. Кроме того, на основе таких измерений поляризации команде удалось реконструировать целые волновые функции Блоха.

Гимир также отмечает, что разновидность лазерного света, который использовали исследователи из UCSB, важна и за пределами его поляризации. Они применили сверхбыстрые лазерные импульсы, поражающие электроны светом на триллионную долю секунды. Электроны в твердых телах склонны сталкиваться с атомами вместо того, чтобы двигаться непрерывно, поэтому возможность управлять ими с такой скоростью была критически важной для команды, которая выполняла манипуляции с электронами и дырками в стиле Питера Пэна и его тени. Иначе в любой серии этого эксперимента электрон или дыра должны были бы, вероятнее всего, столкнуться с каким-то атомным препятствием, что бы помешало их воссоединению. Шеймус О'Хара, другой соавтор исследования и докторант из группы Шервина, считает, что это стало возможным только благодаря использованию самого современного оборудования – лазера на свободных электронах UCSB.

Но это исследование, вероятно, окажет влияние за пределами специализированных лабораторий и простых полупроводников. Теоретические исследования Ву показали, что в случае арсенида галлия достаточно знать достаточно мало свойств переизлучаемого света, чтобы математически реконструировать волновые функции Блоха. Однако другие полупроводниковые материалы могут потребовать более полных и, возможно, более неуловимых знаний.

"Это исследование интересно прежде всего как фундаментальная демонстрация того, что вы можете сделать, когда ответ действительно не определен, – говорит Мэтт Гаарде, физик из Университета штата Луизиана, которая не участвовала в исследовании. – Однако это знание потенциально можно использовать, чтобы получить сведения о сложные структуры".

Команда из UCSB уже строит амбициозные планы на следующие шаги. Исследователи заинтересованы в применении этой методологии к тем материалам, в которых электроны сильно взаимодействуют друг с другом или где лазерный свет может возбуждать более экзотические частицы, чем электроны и дырки. "Мы ищем новые материалы. Если у людей есть полупроводники, чьи свойства они хотели бы исследовать таким образом, мы будем рады попробовать», – говорит Костелло. Эти эксперименты-невероятная возможность получить физическим способом информацию, которую раньше считали сугубо виртуальной.

  1. Последние
  2. Популярные

Популярное за неделю

Error: No articles to display

Самые популярные метки