قطعه‌ای که فقط یک فوتون جذب می‌کند

قطعه‌ای که فقط یک فوتون جذب می‌کند 

فیزیک‌دانان در آلمان قطعه‌ی اپتیکیِ جدیدی را ساخته‌اند که قادر است دقیقاً یک فوتون را جذب کند. به گفته‌ی آن‌ها این قطعه از ویژگی‌های فیزیکی اتم‌های غول‌پیکر در ابعاد میکرونی معروف به اتم‌های ریدبرگ بهره می‌برد و می‌توان از آن در شبکه‌های محاسبات کوانتومی آینده بهره برد.

آن‌طور که سباستین هافربرث (Sebastian Hofferberth ) از دانشگاه اشتوتگارت توضیح می‌دهد، این قطعه ابتدا همانند عدسیِ عینک آفتابی عمل می‌کند اما به محض آن‌که اولین فوتونش را جذب می‌کند نسبت به نور شفاف می‌شود. به بیان هافربرث، یک کاربرد مهم این قطعه می‌تواند جذب تک‌فوتون‌ها از یک شبکه‌ی کوانتومی باشد. پتانسیل کاربردی دیگر، شمارنده‌ی فوتونیِ دقیق است که می‌توان با قرار دادن تعدادی از این قطعات در حالت متوالی آن را ساخت.

ابرِ اتمی

در قلب این قطعه ابری از اتم‌های روبیدیوم در ابعاد میکرونی قرار دارد که تا دمای نزدیک صفر مطلق سرد شده‌اند. برای آن‌که این ابر اتمی تنها یک فوتون را جذب کند ابتدا یک نور لیزری، با انرژی دقیقاً برابر با انرژی تحریک خارجی‌ترین الکترون آن اتم‌ها به ۱۲۱ امین تراز انرژی، تابانده می‌شود. در آن حالت الکترون حدود هزاران مرتبه، نسبت به حالت پایه‌ی اتم، دورتر از هسته است. شعاع چنان اتم‌هایی بیشتر از میکرون است و به اتم‌های ریدبرگ معروفند.

وقتی یک اتم روبیدیوم در چنان ابری، یک تک‌فوتون را جذب می‌کند، اولین اتم ریدبرگ ایجاد می‌شود و اتم دیگری نمی‌تواند فوتون دیگری را از پرتوی لیزری جذب کند. این به آن دلیل است که خارجی‌ترین الکترون اولین اتم ریدبرگ از هسته‌اش دور است و این ابر اتمی با تمام اتم‌های دیگر همپوشانی داشته و ساختار الکترونی آن‌ها را تغییر می‌دهد. به گفته‌ی هافربرث: «حضور اولین اتم ریدبرگ چنان تاثیر قدرتمندی دارد که شرایط تشدید را برای تمام اتم‌های دیگر تغییر می‌دهد». وی می افزاید: «اتم‌های ریدبرگ با همسایگان‌شان، که در حدود ۱۰ میکرونی آن‌ها قرار دارند، می‌توانند برهم‌کنش کنند. چون دیگر اتم‌ها قادر نیستند فوتون‌ها را جذب کنند، بنابراین ابر شفاف می‌شود.

قطعه‌ای که فقط یک فوتون جذب می‌کند
علم فیزیک – قطعه‌ای که فقط یک فوتون جذب می‌کند

تصویری هنری از چهار فوتون که از سمت چپ به یک قطعه نزدیک می‌شوند. قبل از آنکه فوتون فرا برسد، قطعه شامل گازی از اتم‌های فوق‌سرد است (نقاط کوچک). با این حال وقتی یک فوتون جذب می‌شود یک اتم ریدبرگ (نقطه‌ی قهوه‌ای رنگ بزرگ) ایجاد می‌شود که گاز را تغییر داده و آن را شفاف می‌سازد تا سه الکترون عقبی از سمت راست خارج شوند.

پژوهش‌گران برای اثبات اینکه تنها یک فوتون جذب شده است از این واقعیت بهره برده‌اند که الکترون بیرونی به شکل ضعیفی به هسته‌ی اتم ریدبرگ مقید است. به گفته‌ی هافربرث: «آن‌ها بسیار آسیب‌پذیرند». بنابراین برای اثبات آن‌که این ابر تنها یک فوتون جذب کرده‌ است، او و همکارانش اتم ریدبرگ را به یون روبیدیوم تبدیل کرده‌اند. آنان این کار را با لگدزدن به خارجی‌ترین الکترون به انجام رسانده‌اند. سپس تعداد یون‌های روبیدیوم حاضر را شمرده و تنها یکی را اندازه گرفته‌اند.

فرآیند ظریف

به گفته‌ی هافربرث، ایجاد این جاذب فوتون به لحاظ تجربی کاری دشوار است. هرچند سردسازی و بدام اندازی لیزری اتم‌های روبیدیوم یک فناوری استاندارد است، اما ایجاد یک ابر اتمی و تک‌اتم ریدبرگ هنوز فرآیندی بسیار ظریف به حساب می‌آید.

الکسی گوشکف (Alexey Gorshkov)، فیزیک‌پیشه‌ای از دانشگاه مریلند که با هافربرث قبلاً همکاری داشته ولی در این پژوهش اخیر درگیر نبوده است، می‌گوید مفهومی که پشت این جاذب تک-فوتونی نهفته است اولین بار در سال ۲۰۱۱ پیشنهاد شده است. به بیان گوشکف: «این بچه‌ها را آن را به اجرا درآورده‌اند که خیلی باحال است». با این حال وی خاطر نشان می‌کند که وقتی این قطعه یک تک‌فوتون را جذب می‌کند، سیگنال فوتون‌های متوالی گذرنده از آن را نیز مغتشش می‌کند که ممکن است استفاده آن را در کاربردهای اطلاعات کوانتومی پیچیده سازد.

هافربرث توضیح می‌دهد که هدف تیم او ایجاد آرایه‌ای از ابزارهای عمومی است تا با دقت فوتون‌ها را به شکل انفرادی اضافه، کسر و کنترل کند. وی می‌گوید: «اکنون ما نسخه‌ی بسیار اولیه‌ای از چنان ابزاری را برای دست‌کاری نور ساخته‌ایم». یک جاذب تک‌الکترونی مشابه بر اساس سازوکار فیزیکی مختلف در سال ۲۰۱۵ توسط باراک دایان (Barak Dayan) و همکارانش در موسسه‌ی علوم وایزمن رونمایی شده است و خیلی زود است که بتوان گفت کدام‌یک ابزار موثرتری خواهد بود. بر اساس آنچه هافربرث بیان می‌دارد، گام بعدی ایجاد قطعه‌ای است که عمل معکوس را انجام دهد یعنی گردآوری اتم‌هایی که بتوانند دقیقاً یک فوتون تولید کنند.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز توصیف شده است.

قطعه‌ای که فقط یک فوتون جذب می‌کند ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، علم فیزیک ، فیزیک نور ، اپتیک ، فیزیک الکتریسیته ، الکترونیک ، فیزیک کوانتوم ، الکترومغناطیس ، هسته ای ، فیزیک مدرن ، صوت ، علوم

منبع : انجمن فیزیک ایران 

قطعه‌ای که فقط یک فوتون جذب می‌کند

ساخت مولکول‌های نوری امکان‌پذیر شد

ساخت مولکول‌های نوری امکان‌پذیر شد

فیزیکدانان موسسه استاندارد و فناوری آمریکا با همکاری محققان دانشگاه مریلند دریافتند که با تغییر در پارامترهای فرآیند اتصال ( مولکول‌های نوری ) فوتون‌های نوری می‌توان حرکت آنها را تحت کنترل درآورد .

علم فیزیک - مولکول‌های نوریمولکول‌های نوری

به گزارش سرویس علمی ایسنا منطقه خراسان، حدود دو سال قبل محققان دانشگاه کالیفرنیا با همکاری موسسه فناوری ماساچوست برای اولین‌ بار موفق به اتصال دو فوتون به یکدیگر شدند .

دانشمندان معتقدند که فوتون‌های نوری جزء ذرات بنیادی و یکی از شکل‌های تابش الکترومغناطیسی به شمار می‌روند .

در این تحقیق ( مولکول‌های نوری ) مشخص شد که ذرات بدون وزن فوتون می‌توانند مانند یک مولکول و با نیرویی پیچیده به هم متصل شوند .

پروفسور الکسی گوروشکو، فیزیکدان موسسه تحقیقاتی استاندارد و فناوری آمریکا اظهارکرد: نمی‌توانیم این پیوند ( مولکول‌های نوری ) را کاملا شبیه پیوند مولکولی قلمداد کنیم، اما از نظر ساختاری پیوند بین فوتون‌های نوری شباهت‌هایی با پیوند مولکولی دارد.

وی در ادامه افزود: در این بررسی دانشمندان نحوه ساخت ساختارهای پیچیده نوری را فرا گرفتند و برای نخستین بار پیوند بین فوتون‌های نوری امکان‌پذیر شد .

محققان معتقدند که با ورود به عرصه دنیای فوتون‌ها می‌توان کیفیت بسیاری از فناوری‌های بر مبنای نور مانند سیستم‌های ارتباطی و تصویر‌سازی را بهبود بخشید .

در واقع با انجام مهندسی بر روی فوتون‌های نوری  ( مولکول‌های نوری ) می‌توان فعل ‌و انفعالات بین آنها را تغییر داد .

پروفسور گوروشکو در مورد یکی از موارد تاثیر این فناوری جدید ( مولکول‌های نوری ) بر روی افزایش کیفیت تجهیزات آزمایشگاهی عنوان کرد: دانشمندان به کمک فناوری پیوند فوتون‌ها می‌توانند حسگرهای نوری را با دقت بسیار بالایی در آشکارسازهای نوری تنظیم کنند .

دانشمندان امیدوارند که با پیشرفت این فناوری  ( مولکول‌های نوری ) در آینده نزدیک سیستم پردازش رایانه‌های امروزی را به سیستم پردازش نوری تبدیل کنند که این امر علاوه بر افزایش چشمگیر سرعت، مصرف انرژی را به شدت کاهش می‌دهد .

منبع : خبرگزاری ایسنا

فوتون

فوتون

بر اساس اصل دوبروی در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود، که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه‌است. به عنوان مثال، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره چنان کوچک خواهد بود که اصلاً قابل ملاحظه نیست، اما در مورد ذراتی مانند الکترون این طول موج قابل توجه‌است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند. فوتون دارای اسپین یک است، یعنی از لحاظ ذره‌ای بوزون به حساب می‌آید.

ساختار موجی فوتون

واقعیت کوانتوم‌های نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از پلانک، آلبرت اینشتین توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس فوتونها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترونهای اتم، انرژی خود را به آنها داده و خود از بین می‌رود. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

فوتون
Military laser experiment.jpg
نور لیزر
ترکیب: ذرات بنیادی اولیه
خانواده: بوزون ها
برهم‌کنش: الکترومغناطیس
استدلال: آلبرت اینشتین
نماد: γ یا hν
جرم: ۰
بار الکتریکی: ۰
اسپین: ۱

تائیدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را به‌صورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط کامپتون انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتونها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریباً آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملاً تطابق داشت.

نمایی از چگونگی انجام آزمایش پدیده کامپتون.

جرم فوتون

در نظریه ذره‌ای نور، نور از ذراتی بنام فوتون تشکیل شده که با سرعت (c=2٫۹۹۷۹۲۵*۱۰^۸) در خلا منتشر می‌شوند. برای هر فوتون اندازه حرکتی (momentum) معادل p=h/L معرفی شده که در آن h ثابت پلانک و L طول موج فوتون است. در این نظریه فوتون جرم ندارد و جرم سکون آن صفر است، اما جرم معادل با انرژی آن برابر است با(m=E/c^۲=hf/c^۲=h/(L*c که با توجه به معادل بودن جرم و انرژی در نظریه نسبیت بدست می‌آید.

پراکندگی کامپتون