量子光学为光谱学中昂贵的激光器提供了替代品
图为莫斯科国立大学研发的干涉仪。援引:Elizaveta Melik-Gaikazyan
一个国际研究小组与莫斯科国立大学的科学家们一起, 开发了一种能够研究样本中快速过程的时间分辨光谱方法。这种新方法的工作原理是分析透过样本的量化光, 而不使用飞秒激光器和复杂的检测系统。这种设计比目前使用的方式成本低很多,并且允许研究人员在不破坏样本的情况下进行研究。这项研究成果已经发表在《Scientific Reports》上。
研究物质中的相互作用和过程最常见的方法之一是测量样本响应外部电磁场的时间。根据这一措施, 可以判断物质的成分之间存在哪些联系。由于这些时间通常用飞秒 (10-15 秒) 为单位进行测量, 所以研究人员使用能够产生超短脉冲的飞秒激光器。
可是使用问题在于飞秒激光具有较高的功率,因此会损坏样本; 其次,这些激光器也非常昂贵。为了解决这个问题, 研究人员制定了一个方案, 使用普通激光器产生单光子来研究样本 。
该装置由一个简单的干涉仪组成,可以准确测量光的干涉。在组合光路中,非线性晶体位于激光路径上。晶体中产生的一对纠缠光子以一定角度飞离。量子纠缠由两个或两个以上的独立粒子组成, 它们的物理性质相互关联, 以致无法独立描述每个粒子的量子态。
文章的参与作者,莫斯科罗蒙诺索夫国立大学物理系研究生Elizaveta Melik-Gaykazyan解释说:“得益这一设计, 我们可以在没有飞秒激光器的情况下使用单光子来测量飞秒时间。”
将测试样本放置在干涉仪的一个臂内。纠缠对中的一个光子穿过它并撞击分束器,在那里它遇到穿过第二臂的另一个光子。之后,光子落在两个探测器中的一个, 它们对单个光子产生反应。这样可以构建一个环路——如果两个光子都进入相同的检测器,偶然性为零; 如果他们去了不同的探测器,偶然性为一。当两臂之间的延迟变得完全相同时,将发生量子干涉,即偶然性完全消失,因为光子永远不会同时落在两个探测器上。
如果样本设置在光子路径中,量子干涉的模式将开始改变。在这种情况下,进入分离器的纠缠光子对比没有样本的情况下变得不那么“一致”。因此两个探测器上的光子接收统计量发生了变化,通过统计变化,研究人员可以判断所研究物质中相互作用的性质。例如,他们可以估算从激发态到基态的跃迁时间。
对于她的工作,Melik-Gaikazyan建立了一个实验装置,测量干扰模式,不论是否有测试样本,都获得实验数据并进行分析。研究人员对两种样本的方法进行了测试和验证: 掺钕钇铝石榴石和介电纳米微粒。
“这种分析未知物质的新方法可用于化学、生物学和材料科学,”Melik-Gaykazyan说。“此外,在创建量子计算机时,以及在尝试了解如何在信息技术中使用量子光时,这可能是一项非常有用的技术。”
来源: https://phys.org/news/2017-11-quantum-optics-alternative-expensive-lasers.html
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