Fononer är diskreta enheter av vibrationsenergi som förutses av kvantmekanik som motsvarar kollektiva svängningar av atomer inuti en molekyl eller en kristall. När sådana vibrationer produceras av ljus som interagerar med ett material, vibrationsenergin kan överföras fram och tillbaka mellan enskilda fononer och enskilda paket med ljusenergi, fotonerna. Denna process kallas Raman -effekten.

I en ny studie, labbet av Christophe Galland vid EPFL:s Institute of Physics har utvecklat en teknik för att mäta, i realtid och vid rumstemperatur, skapande och förstörelse av enskilda fononer, öppnar upp för spännande möjligheter inom olika områden som spektroskopi och kvantteknik.

Tekniken använder ultrakorta laserpulser, som är ljusutbrott som varar mindre än 10 ^-13 sekunder (en bråkdel av en biljondel av en sekund). Först, en sådan puls skjuts på en diamantkristall för att excitera en enda fonon inuti den. När detta händer, en partnerfoton skapas vid en ny våglängd genom Raman-effekten och observeras med en specialiserad detektor, förkunnar framgången med förberedelsesteget.

Andra, att förhöra kristallen och sondera den nyskapade fononen, forskarna skjuter ytterligare en laserpuls in i diamanten. Tack vare en annan detektor, de registrerar nu fotoner som har återupptagit vibrationsenergin. Dessa fotoner är vittnen till att fononen fortfarande levde, vilket betyder att kristallen fortfarande vibrerade med exakt samma energi.

Detta står i stark motsättning till vår intuition:vi är vana vid att se vibrerande föremål gradvis tappa sin energi med tiden, som en gitarrsträng vars ljud tonar bort. Men i kvantmekaniken är detta "allt eller ingenting":kristallen vibrerar antingen med en specifik energi eller så är den i viloläge; det är ingen stat tillåten däremellan. Fonons förfall över tid observeras därför som en minskning av sannolikheten för att hitta den i exciterat tillstånd istället för att ha hoppat ner till viloläget.

Genom detta tillvägagångssätt, forskarna kunde rekonstruera födelsen och döden av en enda fonon genom att analysera utsignalen från de två fotondetektorerna. "På kvantmekanikens språk, åtgärden att mäta systemet efter den första pulsen skapar ett väldefinierat kvanttillstånd för fononet, som avkänns av den andra pulsen, "säger Christophe Galland." Vi kan därför kartlägga fononförfallet med mycket fin tidsupplösning genom att ändra tidsfördröjningen mellan pulserna från noll till några biljoner tiondelar av en sekund (10 ^-12 sekunder eller pikosekunder)."

Den nya tekniken kan tillämpas på många olika typer av material, från bulkkristaller ner till enstaka molekyler. Det kan också förfinas för att skapa mer exotiska vibrationskvanttillstånd, såsom intrasslade tillstånd där energi "delokaliseras" över två vibrationslägen. Och allt detta kan utföras under omgivande förhållanden, betonar att exotiska kvantfenomen kan uppstå i vårt dagliga liv - vi behöver bara titta mycket snabbt.