Иллюстрация: R. N. Patel et al / Physical Review Letters. Большинство существующих моделей описывают звуковые волны как коллективное явление, а не как физические объекты. Они представляются быстрым движением молекул, сталкивающихся друг с другом, подобно шарам на бильярде. В такой модели звук не обладает массой и, следовательно, не взаимодействует с гравитацией. Однако, новая работа физиков Анджело Эспосито, Рафаэля Кричевски и Альберто Николиса ставит под сомнение адекватность этой модели. Исследователи предполагают, что наблюдаемые явления могут быть более сложными, чем это предсказывает существующая теория. Для описания поведения звуковых волн на малых масштабах физики ввели термин “фонон”. Фонон характеризует взаимодействие звуковых колебаний с молекулами, позволяющее звуку распространяться. Ранее считалось, что фононы не являются частицами и не обладают массой. Новая гипотеза предполагает, что фононы могут иметь отрицательную массу, что потенциально обуславливает антигравитационные свойства.
Для иллюстрации этой идеи исследователи используют пример контейнера с жидкостью. В силу действия гравитации плотность жидкости увеличивается с приближением к дну. Известно, что звук распространяется быстрее в более плотных средах. Исследователи предполагают, что при столкновении с градиентом плотности фонон отражается вверх, таким образом демонстрируя антигравитационные свойства.
Физики признают, что эффект приподнимания звука в воздухе слишком мал для регистрации современными инструментами. Однако они прогнозируют, что с развитием технологий их гипотеза может быть подтверждена.
Строго говоря фонон – это квант колебаний атомов кристаллической решетки. В кристаллических материалах атомы и молекулы активно взаимодействуют между собой, и рассматривать в них такие термодинамические явления, как колебания отдельных атомов, затруднительно — получаются огромные системы из триллионов связанных между собой линейных дифференциальных уравнений, аналитическое решение которых невозможно. Гораздо удобнее рассматривать согласованные колебания атомов кристалла как распространение в нем системы звуковых волн, квантами которых и являются фононы. Термин введен по аналогии с квантом электромагнитного поля — фотоном.
Спин фонона равен нулю. Фонон принадлежит к числу бозонов и описывается статистикой Бозе–Эйнштейна.
Понятие фонона позволяет описать тепловые и другие свойства кристаллов, используя методы кинетической теории газов. Фононы в большинстве случаев представляют собой главный тепловой резервуар твердого тела. Теплоемкость кристаллического твердого тела практически совпадает с теплоемкостью газа фононов. Теплопроводность кристалла можно описать как теплопроводность газа фононов, теплосопротивление которого обеспечивается процессами переброса.
Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с фононами — основной механизм электросопротивления металлов и полупроводников. Способность электронов проводимости излучать и поглощать фононы приводит к притяжению электронов друг к другу, что при низких температурах является причиной перехода ряда металлов в сверхпроводящее состояние. Излучение фононов возбужденными атомами и молекулами тел обеспечивает возможность безызлучательных электронных переходов. В релаксационных процессах в твердых телах фононы обычно служат стоком для энергии, запасенной другими степенями свободы кристалла, например, электронными.
Различают акустические и оптические фононы.
Акустический фонон характеризуется при малых волновых векторах линейным законом дисперсии и параллельным смещением всех атомов в элементарной ячейке. Такой закон дисперсии описывает звуковые колебания решетки, поэтому фонон и называется акустическим.
Оптические фононы существуют только в кристаллах, элементарная ячейка которых содержит два и более вида атомов. Эти фононы характеризуются при малых волновых векторах такими колебаниями атомов, при которых центр тяжести элементарной ячейки остается неподвижным.
Американские физики смогли зафиксировать тонкий процесс добавления и вычитания одиночного фонона из механического резонатора при комнатной температуре. Это было сделано с помощью измерения характеристик рассеянного на нем лазерного излучения. Этот эксперимент подтвердил, что состояния, отличающиеся от равновесных на один фонон, оказываются неклассическими даже в нормальных условиях. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Механические движения рассматриваются в квантовых технологиях в качестве источника квантовых состояний наряду электронными, фотонными и другими степенями свободы. Речь идет в первую очередь о квантованном движении частиц в оптических и магнитных ловушках, колебаниях и вращениях молекул, а также о возбуждении в резонаторах квантованных механических волн, которые описываются с помощью фононов.
Свет — наиболее удобный инструмент для манипуляции механическими степенями свободы. При переходе оптомеханики в квантовый режим одиночные фотоны начинают играть ощутимую роль. Например, воздействие одиночного фотона на механический резонатор способно сделать его статистические характеристики существенно неклассическими. Такие эффекты как правило наблюдаются при низких температурах, чтобы повысить чувствительность эксперимента.
Амир Сафави-Наейни (Amir Safavi-Naeini) с коллегами из Стэнфордского университета решили выйти за рамки этого ограничения и провести эксперимент, в котором они бы смогли зафиксировать добавление и вычитание одиночных фононов за счет взаимодействия со светом при комнатной температуре. Прямое измерение этого эффекта затруднено в силу большого числа фононов (для резонатора, использованного в статье, их число составляло чуть более полутора тысяч), поэтому авторы исследовали статистические свойства фотонов, рассеянных на них.
Рассеиваясь на фононах, свет может увеличивать (уменьшать) их число, при этом его энергия будет уменьшаться (увеличиваться) на величину, равную энергии фонона. Этот процесс аналогичен комбинационному рассеянию в молекулах, где свет уносит (добавляет) энергию их колебаний и вращений. В случае же, когда число фотонов не меняется, рассеяний свет несет информацию о статистических свойствах фононного ансамбля.
Физики использовали оба этих явления в своем эксперименте. Они подавали излучение лазера, слегка отстроенное от частоты оптомеханического резонатора: выше по частоте, чтобы добавить фотон, и ниже — чтобы вычесть. Рассеянное излучение разделялось на две части: одна из них использовалась для того, чтобы фиксировать присутствие в пучке одиночного фотона с резонансной частотой, вторая отправлялась на гетеродинный балансный детектор, измерявший функцию Вигнера света, несущую информацию о свойствах фононов. Когда физики игнорировали сигнал с однофотонного источника, статистика фотонов была равновесной (гауссовой). При учете же только тех данных балансного детектора, которые следовали за щелчком однофотонного детектора в течение двух микросекунд, статистика свидетельствовала о добавлении или исключении одного фонона.
Функция Вигнера, получаемая в эксперименте (верхний ряд) и предсказываемая теорией (нижний ряд) при игнорировании (слева) и при пост-селекции (справа) сигнала по срабатыванию однофотонного детектора. R. N. Patel et al / Physical Review Letters
Исследователи измеряли среднее число фононов для равновесного и неравновесного распределений. В частности, для случая добавления фонона эти числа оказались равны 1597,6±0,6 и 3158,1±0,9 соответственно. Их отличие в два раза кажется парадоксальным, однако хорошо объясняется теорией. Дело в том, что в случае срабатывания однофотонного детектора в распределении должна быть учтена вероятность рассеяния фотона на фононах, которая пропорциональна их числу. Это приводит к удвоенному отношению средних, что и наблюдалось в эксперименте с высокой точностью.
В заключении авторы отмечают, что их работа подтверждает теоретические расчеты, которые предсказывали, что состояния ансамбля фононов, отличающиеся от равновесных на одну квазичастицу, могут быть неклассическими при любых температурах. Они надеются, что последующие исследования смогут превратить продемонстрированные состояния в полезный квантовый ресурс. В качестве примера физики приводят создание механических состояний, описываемых как состояние кота Шрёдингера.
Ученые регулярно создают такие системы, состоянием которых можно управлять с помощью всего лишь одного фотона. Недавно мы писали про то, как два атома возбудили одним фотоном и как однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
