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ABSTRACT gliedert atemberaubende wissenschaftliche Forschung, Zukunftstechnologien, neue Entdeckungen und große Durchbrüche.
Eine verblüffende neue Art von „Quantenlicht“ könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, in Atome hineinzuschauen und einige der bizarren Kräfte von Lichtteilchen oder Photonen auf so winzigen Quantenskalen zu kontrollieren, wie eine neue Studie herausgefunden hat.
Obwohl diese Form des Quantenlichts zu diesem Zeitpunkt noch theoretisch ist, glauben Wissenschaftler, dass sie bald experimentell mit vorhandener Ausrüstung demonstriert werden könnte, was zu neuen Technologien in der Mikroskopie und im Quantencomputer führen könnte. Die Technik könnte auch zu Entdeckungen in Bereichen wie der „Attowissenschaft“ anregen, die sich mit Wechselwirkungen befasst, die auf der extrem kurzen Zeitskala der Attosekunde (ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) stattfinden, und könnte Rätsel lösen für lange Zeit Physik der Materialien.
Licht ist so allgegenwärtig in unserem Leben, dass man leicht vergisst, dass es da ist. Jeden Tag sind wir in Sonnenlicht getaucht, unsere Hausleuchten, unsere städtische Umgebung und unzählige andere Quellen. Auf diesen größeren Skalen unterliegen Photonen den bekannten Gesetzen der klassischen Physik, aber wenn Sie auf die Skala von Atomen schrumpfen, übernehmen die Regeln der Quantenmechanik. Bei dieser Größe ist das Universum voll von allerlei abgefahrenem Unsinn, wie etwa der Quantenverschränkung, bei der sich Teilchen auch über große Entfernungen synchronisieren.
Jetzt haben sich Wissenschaftler einen völlig neuen Lichtzustand vorgestellt, der einem Phänomen namens High Harmonic Generation, bei dem Photonen von Lasern mit viel höheren Frequenzen angeregt werden, einen Quantenspin verleiht.
Während die Erzeugung hoher Harmonischer aus Sicht der klassischen Physik gut untersucht wurde, könnte die Nutzung ihrer Quanteneigenschaften”[pave] den Weg zur Entwicklung neuer Lichtzustände über ein Breitbandspektrum” und tragen zu “dem ehrgeizigen Ziel bei, Quantenoptik und Attowissenschaft zusammenzubringen”, so eine am Donnerstag veröffentlichte Studie in Natürliche Physik.
„Die Gesetze der Quantenmechanik des Lichts führen zu vielen neuen Verhaltensweisen des Lichts, die nicht durch die klassische Theorie erklärt werden können“, sagte Nicholas Rivera, ein junger Forscher an der Harvard University, der die Studie mitverfasst hat, in einer E-Mail an Motherboard. „Wir nennen Licht, das diese Eigenschaften aufweist, ‚Quantenzustände des Lichts‘.“
„Besonders attraktiv sind ‚Multi-Photonen-Quantenzustände des Lichts‘, also Lichtzustände mit einzigartigen Quanteneigenschaften, die sich auch aus vielen Photonen zusammensetzen, von denen man glaubt, dass sie Fortschritte für ultrapräzise Messungen, für Kommunikationssysteme und für Quantencomputing ermöglichen“, er fügte hinzu.
In klassischen Physikexperimenten können hohe Harmonische induziert werden, indem Elektronen von Atomen eines Materials, wie z. B. eines Festkörpers oder eines Gases, abgestreift werden, indem das Material mit extrem starken Laserstrahlen gebadet wird. Die Elektronen rekombinieren dann mit den Atomen und setzen Photonen frei, die viel höhere Frequenzen haben als das ursprüngliche Laserlicht. Beispielsweise könnten hohe Harmonische erzeugt werden, indem Laserphotonen bei Infrarotwellenlängen in die energiereicheren Ultraviolett- oder Röntgenstrahlenbänder des Lichtspektrums umgewandelt werden.
„Die Erzeugung hoher Harmonischer ist ein extremer ‚Upconversion‘-Prozess, der niederfrequente Photonen in hochfrequente Photonen umwandelt“, erklärte Rivera. „Außerdem können die umgewandelten Photonen als sehr kurze Pulse mit einer Dauer von etwa 100 Attosekunden vorliegen. Die extrem kurze Dauer dieser Pulse ist sehr attraktiv, da sie verspricht, die Visualisierung physikalischer und chemischer Prozesse zu ermöglichen, die in denselben ultrakurzen Zeitskalen ablaufen.
„Zum Beispiel erfolgt die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen auf diesen extrem kleinen Zeitskalen“, bemerkte er. „Im Allgemeinen verspricht die Erzeugung hoher Harmonischer, ein ganz neues Fenster in die Eigenschaften von Elektronen, Atomen und Molekülen mit unzähligen Anwendungen in allen Wissenschaften zu öffnen.“
Rivera und seine Kollegen begannen vor einigen Jahren mit der Untersuchung, ob die Erzeugung hoher Harmonischer Quantenzustände von Multiphotonenlicht erzeugen könnte, und stellten in einer Studie 2020 erste Ergebnisse vor. Dieses Projekt hat gezeigt, dass die Quantendimensionen der Erzeugung hoher Harmonischer praktisch unerforscht waren, sodass Forscher die letzten Jahre damit verbracht haben, die mathematischen Grundlagen dieses Phänomens auf atomarer Ebene zu erarbeiten.
In der neuen Forschung schlägt das Team vor, dass eine Quantenversion der Erzeugung hoher Harmonischer erzeugt werden könnte, wenn die Atome des Zielmaterials verschränkt wären, was bedeutet, dass ihre Eigenschaften auf diese seltsame Weise korrelieren würden, die nur bei sehr kleinen beobachtet wird Waage.
Was bedeutet das alles? Diese neue Form des Quantenlichts könnte hochentwickelte neue Techniken zur Abbildung von Materialien wie biologischen Proben mit beispielloser Klarheit einleiten und auch verborgene Details über blitzschnelle Wechselwirkungen und Eigenschaften von Entitäten auf atomarer Ebene enthüllen.
„Die Vision ist, dass die Quanteneigenschaften von Licht, das von einem Vielteilchensystem korrelierter Quantenmaterie erzeugt wird, die intrinsischen Korrelationen zwischen den Bestandteilen der Materie widerspiegeln sollten“, sagte Rivera. „Das Studium von Korrelationen ist grundlegend für das Studium moderner Materialien – und so könnte man, wenn man eine experimentelle Technik hat, die Korrelationen mit hoher Genauigkeit extrahieren könnte, sie dann verwenden, um die Physik von Materialien zu klären, die einem vollständigen Verständnis entgangen sind (von denen es gibt viele in der modernen Materialphysik).
„Die Arbeit hier ist jedoch nur der Anfang dieser Vision, und es wird letztendlich einige Zeit dauern, bis wir das volle Potenzial der Nutzung von Lichtkorrelationen nutzen können, um auf sinnvolle Korrelationen von Materie zu schließen“, bemerkte er.
Zu diesem Zweck identifizieren die Forscher zwei bestehende Versuchsanordnungen, die möglicherweise diese neue Form von Quantenlicht erzeugen könnten, und stellen fest, dass ihre neue Theorie laut der Studie „in mehreren verschiedenen Forschungsrichtungen übernommen oder verallgemeinert werden kann“.
„Die Frage, was die beste Implementierung ist, ist für uns letztendlich immer noch eine offene Frage, und wir versuchen jetzt, sie herauszufinden“, sagte Rivera. „Allerdings ist ein spannender Bereich, in dem wir glauben, dass einige dieser Ideen getestet werden könnten, die ‚Erzeugung hoher Oberschwingungen in Festkörpern‘, wo das Ziel, das hochfrequentes Licht erzeugt, kein Gas, sondern ein festes Material ist.“
„Festkörper können starke Quantenkorrelationen zwischen den einzelnen Elektronen aufweisen, und daher ist es interessant zu untersuchen, wie sich diese Korrelationen im emittierten Licht zeigen“, schloss er. “[T]Dies ist eine Frage, die eine Erweiterung unserer Theorie erfordert, um die Emission von Quantenlicht aus Festkörpern genau zu beschreiben – und wir freuen uns, diesen Bereich zu erweitern.