När en gitarrsträng plockas, det vibrerar som alla vibrerande föremål skulle, stiger och faller som en våg, som den klassiska fysikens lagar förutsäger. Men enligt kvantmekanikens lagar, som beskriver hur fysiken fungerar i atomskala, vibrationer ska bete sig inte bara som vågor, men också som partiklar. Samma gitarrsträng, när den observeras på kvantnivå, bör vibrera som enskilda energienheter som kallas fononer.

Nu har forskare vid MIT och Swiss Federal Institute of Technology för första gången skapat och observerat en enda fonon i ett vanligt material vid rumstemperatur.

Tills nu, enstaka fononer har bara observerats vid ultracolda temperaturer och i exakt konstruerade, mikroskopiska material som forskare måste undersöka i vakuum. I kontrast, laget har skapat och observerat enstaka fononer i en diamantbit som sitter utomhus vid rumstemperatur. Resultaten, forskarna skriver i en artikel publicerad idag Fysisk granskning X , "föra kvantbeteendet närmare vårt dagliga liv."

"Det finns en dikotomi mellan vår dagliga upplevelse av vad en vibration är - en våg - och vad kvantmekaniken säger oss att det måste vara - en partikel, "säger Vivishek Sudhir, en postdoc vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Vårt experiment, eftersom det utförs under mycket konkreta förhållanden, bryter denna spänning mellan vår dagliga upplevelse och vad fysiken säger till oss måste vara fallet. "

Tekniken som teamet utvecklat kan nu användas för att sondera andra vanliga material för kvantvibrationer. Detta kan hjälpa forskare att karakterisera atomprocesserna i solceller, samt identifiera varför vissa material är superledande vid höga temperaturer. Ur ett teknikperspektiv, lagets teknik kan användas för att identifiera vanliga fononbärande material som kan göra perfekta sammankopplingar, eller överföringsledningar, mellan framtidens kvantdatorer.

"Vad vårt arbete betyder är att vi nu har tillgång till en mycket bredare palett av system att välja mellan, säger Sudhir, en av tidningens huvudförfattare.

Sudhirs medförfattare är Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Anderson, och Christophe Galland, av Swiss Federal Institute of Technology.

"Demokratisering av kvantmekanik"

Fononer, de enskilda vibrationspartiklarna som beskrivs med kvantmekanik, är också förknippade med värme. Till exempel, när en kristall, tillverkad av ordnade galler av sammankopplade atomer, värms upp i ena änden, kvantmekanik förutspår att värme färdas genom kristallen i form av fononer, eller individuella vibrationer av bindningarna mellan molekylerna.

Enstaka fononer har varit extremt svåra att upptäcka, främst på grund av deras känslighet för värme. Fononer är mottagliga för värmeenergi som är större än deras egen. Om fononer i sig är låga på energi, då kan exponering för högre värmeenergier få ett materials fononer att excitera massor, göra upptäckt av en enda foton till en nål-i-en-höstack strävan.

De första ansträngningarna att observera enstaka fononer gjorde det med material speciellt konstruerade för att rymma väldigt få fononer, vid relativt höga energier. Dessa forskare nedsänkte sedan materialen i kylskåp nära absolut noll som Sudhir beskriver som "brutalt, aggressivt kallt, "för att säkerställa att den omgivande termiska energin var lägre än energin för fononerna i materialet.

"Om så är fallet, då kan [phonon] -vibrationen inte låna energi från den termiska miljön för att excitera mer än en fonon, "Förklarar Sudhir.

Forskarna sköt sedan en puls av fotoner (ljuspartiklar) in i materialet, i hopp om att en foton skulle interagera med en enda fonon. När det händer, fotonen, i en process som kallas Ramanspridning, bör reflektera tillbaka från en annan energi som den ges av den interagerande fononen. På det här sättet, forskare kunde upptäcka enstaka fononer, fast vid ultrakalla temperaturer, och i noggrant konstruerade material.

"Det vi har gjort här är att ställa frågan, hur blir du av med den komplicerade miljön du har skapat runt det här objektet, och få denna kvanteffekt till vår inställning, att se det i mer vanliga material, "Säger Sudhir." Det är som att demokratisera kvantmekanik i någon mening. "

En på miljonen

För den nya studien, laget såg på diamant som ett testämne. I diamant, fononer fungerar naturligt vid höga frekvenser, av tiotals terahertz - så hög att, vid rumstemperatur, energin för en enda fonon är högre än den omgivande termiska energin.

"När denna kristall av diamant sitter vid rumstemperatur, fononrörelse existerar inte ens, eftersom det inte finns någon energi vid rumstemperatur för att excitera någonting, "Säger Sudhir.

Inom denna vibrerande tysta blandning av fononer, forskarna syftade till att excitera bara en enda fonon. De skickade högfrekventa laserpulser, bestående av 100 miljoner fotoner vardera, in i diamanten - en kristall som består av kolatomer - om chansen är att en av dem skulle interagera och reflektera från ett fonon. Teamet skulle sedan mäta den minskade frekvensen för fotonen som är inblandad i kollisionen - bekräftelse på att den verkligen hade träffat ett fonon, även om denna operation inte skulle kunna urskilja om en eller flera fononer var upphetsade i processen.

För att dechiffrera antalet upphetsade fononer, forskarna skickade en andra laserpuls in i diamanten, som fononens energi gradvis förfallit. För varje fonon upphetsad av den första pulsen, denna andra puls kan avspänna den, ta bort den energin i form av en ny, högre energi foton. Om bara en fonon från början var upphetsad, sedan en ny, högre frekvensfoton bör skapas.

För att bekräfta detta, forskarna placerade ett halvtransparent glas genom vilket detta nya, högre frekvensfoton skulle lämna diamanten, tillsammans med två detektorer på vardera sidan av glaset. Fotoner delas inte, så om flera fononer var upphetsade så av-upphetsade, de resulterande fotonerna bör passera genom glaset och spridas slumpmässigt i båda detektorerna. Om bara en detektor "klickar, "indikerar detektion av en enda foton, laget kan vara säker på att fotonen interagerade med en enda fonon.

"Det är ett smart trick vi spelar för att se till att vi bara observerar en fonon, "Säger Sudhir.

Sannolikheten för att en foton interagerar med en fonon är ungefär en av tio miljarder. I deras experiment, forskarna sprängde diamanten med 80 miljoner pulser per sekund - vad Sudhir beskriver som ett "tåg av miljontals miljarder fotoner" under flera timmar, för att upptäcka cirka 1 miljon foton-fonon-interaktioner. I slutet, de hittade, med statistisk signifikans, att de kunde skapa och upptäcka en enda vibrationskvant.

"Detta är ett slags ambitiöst påstående, och vi måste vara försiktiga, vetenskapen är noggrant utförd, utan utrymme för rimligt tvivel, "Säger Sudhir.

När de skickade in sin andra laserpuls för att verifiera att enstaka fononer verkligen skapades, forskarna försenade denna puls, skicka in i diamanten när den upphetsade fononen började ebba ut i energi. På det här sättet, de kunde ta reda på hur fononet själv förfallit.

"Så, inte bara kan vi undersöka födelsen av en enda fonon, men vi kan också undersöka dess död, "Säger Sudhir." Nu kan vi säga, 'använd den här tekniken för att studera hur lång tid det tar för en enda fonon att dö ut i ditt valda material.' Det numret är mycket användbart. Om den tid det tar att dö är väldigt lång, då kan det materialet stödja sammanhängande fononer. Om så är fallet, du kan göra intressanta saker med det, som termisk transport i solceller, och sammankopplingar mellan kvantdatorer. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.