科学家：在钻石中创造并观察到了单个声子

培育钻石网 · 发表于 2019-12-28 13:19:44

根据经典物理学定律的观点，拨动吉他琴弦会让它产生振动，像波一样上下移动。但是依照量子力学的理论，振动不仅表现为波的形式，还应该表现为粒子的形式。同样的吉他弦，从量子水平上观察时，需要引入声子的概念。

据《物理评论X》杂志近日报道，美国麻省理工学院（MIT）和瑞士联邦理工学院（FIT）的科学家们置于室温下在钻石样品中创造并观察到了单个声子。此前，单声子的观察只能在超低温、真空条件下且经过精确设计的微观材料中进行。

声子，不仅是量子力学中描述振动的单个粒子，也与热有关联。例如，当一个由有序晶格构成的晶体一端受热时，量子力学认为热量会以声子或分子键振动的形式在晶体中传播。由于声子对热很敏感，因此很难被探测到。如果声子本身的能量较低，周围热量很可能会触发声子的集体激发，这会使单个光子的探测像大海捞针一样困难。

此前，虽然有研究人员在超低温条件下，用特别设计的材料实现了单声子的测定。但MIT天体物理与空间研究所博士后研究员Vivishek Sudhir认为，科学家们应该摆脱复杂条件，将量子效应带到普通环境中。Sudhir说：“从某种意义上来说，这就像是让量子力学大众化。”

在这项新的研究中，研究人员选择了钻石作为实验对象。在钻石中，声子的运转频率高达几十太赫兹，以置于在室温下，单声子的能量甚至高于周围的热能。

Sudhir说：“当把这种钻石晶体放置在室温环境中时，由于没有足够能量激发，声子运动甚至不存在。”为了激发单个声子，研究人员向钻石样品发射了至道高频激光脉冲，希望激光脉冲中的某个光子能与声子产生相互作用后反射回来。为了破译被激发的声子数量，研究人员发射了第二道激光脉冲。对于被置道脉冲激发的声子，第二道脉冲可以使它“失活”。为了证实这一切，研究人员设置了两个探测器来捕捉与声子产生了相互作用的光子。

光子与声子相互作用的概率大约是100亿分之一。Sudhir等以每秒8000万次的脉冲对钻石进行了轰击。在数小时内，他们大概能探测到100万次光子-声子的相互作用。之后，他们发现，在统计学意义上，他们能够创造和检测到单个量子振动。

当Sudhir等发送第二道激光脉冲时，研究人员进行了延迟了操作——在激发的声子能量开始衰减时才向钻石样品发射。由此，他们能够发现声子自身的衰变方式。Sudhir说：“我们不仅能够探测单个声子的诞生，还能探测它的衰亡。现在我们可以说，我们掌握了声子在材料中的持续时间。这个数字很关键，如果衰亡时间很长，那么这种材料就可能支持相干声子。这类材料就能用于太阳能电池的热传输，以及量子计算机的互连。”

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