Kvantová optika

Tyto kvantové optické prostředky všech experimentech, ve kterém světlo , nebo interakce mezi světlem a hmota se kvantifikovat. Jde o vzkvétající oblast výzkumu na pomezí kvantové mechaniky a optiky .

V kontextu kvantové optiky je světlo považováno za tvořené fotony , kvantovými objekty, které se chovají:

jako krvinky v jejich interakcích s hmotou,
a jako vlny pro jejich šíření.

Popis dynamiky fotonů je věcí kvantové mechaniky, jejich pohyb je proto „popsán“ pomocí pravděpodobností přítomnosti v daném bodě.

Dějiny

Samotná povaha světla je již dlouho zdrojem debaty ve vědecké komunitě. Tak, Newton považován světlo jako proud částic, přičemž se strukturou Fresnelovy zvýhodněný přístup vlny. To nebylo až do příchodu kvantové fyziky na počátku XX -tého století v reakci na tento koncepční problém.

První, kdo použil pojem fotonu, byl Einstein, který vysvětlil vlastnosti fotoelektrického jevu , což mu v roce 1921 vyneslo Nobelovu cenu za fyziku .

Byl to opět Einstein, kdo kromě absorpce a spontánní emise zavedl třetí mechanismus elementární interakce fotonů s hmotou : stimulovaná emise , která je základem laserového efektu . Lasery vydláždily cestu holografii , další aplikaci kvantové optiky.

Louis de Broglie pak ve své vlnové mechanice předpověděl , že jelikož se světlo chová jako částice ve svých vztazích s hmotou, měly by se naopak hmotné částice chovat při šíření jako vlny (vlny hmoty). To prokázali Davisson a Germer v roce 1927 ve svém experimentu s elektronovou difrakcí. Elektrony, stejně jako fotony, proto spadají pod zákony kvantové optiky. Elektronový mikroskop je tak aplikace.

První pozorování kvantového chování provedl H. Jeff Kimble v roce 1976 o seskupení fotonů (fotonový antibunching).

V dnešní době je kvantová optika velmi slibnou oblastí výzkumu: mnoho nositelů Nobelovy ceny za fyziku ocenilo práci v této disciplíně v posledních letech. Mezi nedávnými vítězi jsou Serge Haroche , David Wineland , Roy J. Glauber a Claude Cohen-Tannoudji .

Hypotézy

Základní hypotéza kvantové optiky spočívá v tom, že jakákoli částice (foton, elektron ...) představuje dualitu vlnových částic . To lze prokázat například provedením experimentu Youngových štěrbin foton po fotonu.

Pamatujte, že vlnová délka a frekvence souvisí s vlnou šířící se rychlostí . $\ lambda$ $\nahý$ ${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {c} {\ nu}}}$ $vs.$

Fotony mají nulovou hmotnost : nemůžeme tedy definovat jejich hybnost klasickým způsobem podle vzorce . Louis de Broglie nalezne řešení tohoto problému v jeho práce: hybnost fotonu je vlastně dána kde h je Planckova konstanta , vlnová délka spojená s fotonu, jednotkový vektor směřuje ve směru šíření záření, snížená Planckova konstanta a foton vlna vektor . Naopak je možné asociovat takzvanou "de Broglie" vlnovou délku s částice mající hmotnost podle vzorce . $\ vec {p} = m \ vec {vb}$ ${\ displaystyle {\ vec {p}} = {\ frac {h} {\ lambda}} {\ vec {u}} = \ hbar {\ vec {k}}}$ $\ lambda$ $\ vec {u}$ $\ hbar$ ${\ vec {k}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {DB} = {\ frac {h} {p}}}$

Podobný problém nastává pro kinetickou energii fotonu: nelze použít klasickou definici . V kvantové optice je energie přenášená fotonem dána tím, kde je frekvence světelné vlny a její pulzace . Tato energie odpovídá přechodu mezi dvěma diskrétními energetickými hladinami systému (např. Atomu) emitujícího foton. $E_c = \ frac {1} {2} mv ^ 2$ ${\ displaystyle E = h \ nu = \ hbar \ omega}$ $\nahý$ $\ omega$

Jevy vysvětlené kvantovou optikou

Kvantová mechanika a konkrétněji kvantová optika umožňují vysvětlit původ mnoha jevů:

Tlak záření vyplývá ze skutečnosti, že fotony skutečně mít impuls přes jejich nulové hmotnosti.
Fotoelektrický efekt je vysvětleno skutečností, že úrovně energie elektronů v atomu jsou diskrétní: energie a vlnová délka fotonu je úměrná jen určité záření velmi přesných vlnové délky může generovat fotoelektrický jev. Ten najde přímé uplatnění v solárních panelech .

Hlavní zkušenosti

Tyto mladé štěrbiny jsou velmi jednoduché, kvantová optika experiment. Zvýrazňují vlnové chování částic nebo nověji molekul prostřednictvím získaných údajů o interferenci .
Interferometry jako Michelsonův nebo Mach-Zenderův také demonstrují vlnové vlastnosti světla.
Zkušenost Alain Aspect , provedla na počátku roku 1980, což má za následek porušení Bellovy nerovnosti . Poskytuje experimentální důkaz absence skrytých proměnných v kvantové fyzice. Jedná se vyvolaly živou debatu mezi Einstein a Bohr na počátku XX -tého století: první byl ve prospěch jejich existence vysvětlit EPR paradox - usazená mimo jiné sám - zatímco druhý nepovažoval za nutné vysvětlovat kvantové fyziky.
Dalším velkým úspěchem kvantové optiky je dosažení prvního plynného kondenzátu Bose-Einstein v roce 1995 Eric Cornell a Carl Wieman , který jim v roce 2001 získal Nobelovu cenu za fyziku. Ten skutečně umožnil pochopit, jak atomy a fotony interagují, a tedy jak je možné ochladit plyn světlem Doppler-Fizeauovým efektem .

Bibliografie

Romain Maciejko , Úvod do kvantové optiky , Presses Poly Polynique,2008, 334 s.
Webové stránky skupiny Quantum Optics laboratoře Kastler Brossel z ENS / UPMC.
Richard Feynman, Les Cours de Physique , objemová kvantová fyzika .

Poznámky a odkazy

Kvantová optika v Knihách Google
Úvodní kvantová optika v Knihách Google