麻省理工學院的研究人員在室溫下，利用鑽石樣品，觀測到了單量子振動。
根據經典物理學定律的觀點，撥動吉他琴弦會讓它產生振動，像波一樣上下移動。但是依照量子力學的理論，振動不僅表現為波的形式，還應該表現為粒子的形式。同樣的吉他弦，從量子水平上觀察時，需要引入聲子的概念。
據《物理評論X》雜誌近日報導，美國麻省理工學院（MIT）和瑞士聯邦理工學院（FIT）的科學家們首次於室溫下在鑽石樣品中創造並觀察到了單個聲子。此前，單聲子的觀察只能在超低溫、真空條件下且經過精確設計的微觀材料中進行。
聲子，不僅是量子力學中描述振動的單個粒子，也與熱有關聯。例如，當一個由有序晶格構成的晶體一端受熱時，量子力學認為熱量會以聲子或分子鍵振動的形式在晶體中傳播。由於聲子對熱很敏感，因此很難被探測到。如果聲子本身的能量較低，周圍熱量很可能會觸發聲子的集體激發，這會使單個光子的探測像大海撈針一樣困難。
此前，雖然有研究人員在超低溫條件下，用特別設計的材料實現了單聲子的測定。但MIT天體物理與空間研究所博士後研究員Vivishek Sudhir認為，科學家們應該擺脫複雜條件，將量子效應帶到普通環境中。Sudhir說：「從某種意義上來說，這就像是讓量子力學大眾化。」
在這項新的研究中，研究人員選擇了鑽石作為實驗對象。在鑽石中，聲子的運轉頻率高達幾十太赫茲，以至於在室溫下，單聲子的能量甚至高於周圍的熱能。Sudhir說：「當把這種鑽石晶體放置在室溫環境中時，由於沒有足夠能量激發，聲子運動甚至不存在。」為了激發單個聲子，研究人員向鑽石樣品發射了第一道高頻雷射脈衝，希望雷射脈衝中的某個光子能與聲子產生相互作用後反射回來。為了破譯被激發的聲子數量，研究人員發射了第二道雷射脈衝。對於被第一道脈衝激發的聲子，第二道脈衝可以使它「失活」。為了證實這一切，研究人員設置了兩個探測器來捕捉與聲子產生了相互作用的光子。
光子與聲子相互作用的概率大約是100億分之一。Sudhir等以每秒8000萬次的脈衝對鑽石進行了轟擊。在數小時內，他們大概能探測到100萬次光子-聲子的相互作用。最後，他們發現，在統計學意義上，他們能夠創造和檢測到單個量子振動。
當Sudhir等發送第二道雷射脈衝時，研究人員進行了延遲了操作——在激發的聲子能量開始衰減時才發射向鑽石樣品。由此，他們能夠發現聲子自身的衰變方式。Sudhir說：「我們不僅能夠探測單個聲子的誕生，還能探測它的衰亡。現在我們可以說，我們掌握了聲子在材料中的持續時間。這個數字很關鍵，如果衰亡時間很長，那麼這種材料就可能支持相干聲子。這類材料就能用於太陽能電池的熱傳輸，以及量子計算機的互連。」
科界原創
編譯：德克斯特
審稿：阿淼
責編：張夢
期刊來源：《物理評論X》
期刊編號：2160-3308
原文連結：http://news.mit.edu/2019/single-quantum-vibration-normal-1007
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