Odkrywanie intrygujących zjawisk kwantowych i dynamiki cząstek poprzez dualizm korpuskularno-falowy światła
Światło jest zarówno falą, jak i strumieniem cząstek — fotonów. Kiedy myślimy o świetle w kategoriach klasycznych, wyobrażamy je sobie jako oscylującą falę elektromagnetyczną. I odwrotnie, badając jego kwantową naturę, skupiamy się na pojedynczych fotonach. Taka kwantowa perspektywa wydaje się naturalna, gdy mamy do czynienia z zaledwie kilkoma cząstkami. Jednak gdy światło staje się intensywne — przenosząc miliony, a nawet miliardy fotonów — znowu zaczynamy myśleć o nim w kategoriach klasycznych. W tym reżimie światło jest opisywane jako ciągła fala, a koncepcja właściwości kwantowych może wydawać się sprzeczna z intuicją.
Silne pola laserowe kształtują kwantową naturę światła
Dokładnie na tym zagadnieniu skupiał się projekt QUMATTO, który otrzymał finansowanie z programu działań „Maria Skłodowska-Curie“. Badał kwantową naturę światła w obecności miliardów fotonów. „Naszym celem jest wykorzystanie tej ogromnej liczby fotonów i sprawienie, by zachowywały się w sposób, który przeczy konwencjonalnemu rozumieniu fal elektromagnetycznych” — zauważa Mikhail Ivanov, koordynator projektu. „Staramy się generować ogromną liczbę fotonów w szerokim zakresie częstotliwości, od podczerwieni do ekstremalnego ultrafioletu, i kształtować je w niezwykłe stany kwantowe. Obejmują one «upiorne» stany splątane, w których fotony o różnych częstotliwościach są w tajemniczy sposób połączone, lub stany przypominające słynnego kota Schrödingera — istniejące w dwóch pozornie sprzecznych warunkach jednocześnie”. Te unikalne stany kwantowe światła stanowią elementy składowe kwantowych technologii informacyjnych, w których fotony odgrywają kluczową rolę. W tym przypadku przełomowe jest zastosowanie silnych pól laserowych do kontrolowania ruchu elektronów emitujących takie światło w celu stworzenia zupełnie nowych kwantowych stanów światła. „W naszej najnowszej pracy opublikowanej w piśmie Physical Review X zbadaliśmy, w jaki sposób silne klasyczne pola światła mogą być wykorzystywane do kontrolowania ruchu elektronów w materii, tym samym dostosowując do zadanych wymagań kwantowe właściwości powstałego światła emitowanego przez te elektrony. Ogromnie zaskakujące jest przewidywanie, że emitowane światło można znacznie «ścieśni滓 — podkreśla Ivanov. Oznacza to, że pewne fluktuacje kwantowe w świetle są zredukowane poniżej standardowej granicy kwantowej, co jest właściwością nieocenioną dla technologii kwantowych.
Światło kwantowe ujawnia dynamikę elektronów
Przez lata naukowcy badali kwantowe właściwości attosekundowych błysków światła emitowanych przez atomy, cząsteczki i ciała stałe. Te krótkie rozbłyski mają kluczowe znaczenie dla fizyki i technologii attosekundowej, co zostało uhonorowane zarówno Nagrodą Nobla w 2023 r., jak i Nagrodą Wolfa w dziedzinie fizyki w 2022 r. W ostatnich 30 latach zespoły badawcze opanowały do perfekcji sztukę wytwarzania, kontrolowania i dostrajania tych rozbłysków do badania ruchu elektronów w materii, co pozwoliło odkryć zawiły „taniec” elektronów i atomów w cząsteczkach i ciałach stałych. Jednak do niedawna naukowcy w dużej mierze pomijali kwantowe właściwości tych rozbłysków światła, które ujawniają ukryte szczegóły dotyczące zachowania elektronów. „Przykładowo, gdy elektrony konkurują o emisję fotonu, właściwości kwantowe tego fotonu niosą «wspomnienie» ich starcia, oferując nowe informacje na temat tych interakcji” — zauważa Ivanov. A to otwiera zupełnie nowy kierunek w ultraszybkiej spektroskopii optycznej. „Obecnie, zamiast polegać wyłącznie na klasycznych właściwościach emitowanego światła w badaniu kwantowego ruchu w materii, wykorzystujemy kwantowe właściwości światła do odkrywania jeszcze głębiej ukrytych informacji na temat zachowania materii w stanach bardzo dalekich od stanu równowagi” — uzupełnia Ivanov. Ogólnie rzec biorąc, projekt QUMATTO zajmował się badaniem nowatorskich źródeł światła kwantowego w szerokim zakresie widmowym, co umożliwiło dokonanie postępów w technologiach kwantowych, kwantowym wykrywaniu i metrologii precyzyjnej. Co więcej, naukowcy prowadzili pionierskie badania nad ultraszybką spektroskopią optyczną, aby lepiej poznać tak światło klasyczne, jak i kwantowe, dzięki czemu odkryto nowe informacje na temat materii w stanach bardzo dalekich od równowagi.
Słowa kluczowe
QUMATTO, światło kwantowe, pole laserowe, ultraszybka spektroskopia optyczna, stany nierównowagowe, kot Schrödingera
