Emisii altfel interzise din grafen ar putea dezvălui fluctuațiile cuantice ale luminii
Fluctuațiile sunt privite de obicei ca nedorite: în inginerie și în medicină afectează precizia măsurătorilor și introduc erori în sistemele de control. Chiar și la scară cuantică sunt tratate cu rezervă. Un studiu teoretic de la Institutul Indian de Tehnologie Bombay arată însă că fluctuațiile cuantice structurate din lumină pot fi folosite pentru a detecta și genera semnale optice cuantice utile.
Kartik Prabhu și profesorul Gopal Dixit, din Departamentul de Fizică al institutului, au propus o metodă nouă de detectare a fluctuațiilor cuantice ale luminii, folosind drept senzor grafenul, un material cuantic. Studiul, publicat în Physical Review B, arată că, atunci când o lumină cuantică preparată special este direcționată pe grafen, interacțiunea cu materialul poate releva informații despre natura cuantică a luminii incidente. Prin proiectarea atentă a fluctuațiilor cuantice din lumina incidentă se poate genera și o emisie de înaltă frecvență adaptată scopului.
„Studiul nostru reunește pentru prima dată lumina cuantică, un material cuantic și generarea de armonice superioare în domeniul ultraviolet extrem”, spune Dixit. Generarea de armonice superioare este o tehnică emergentă pentru imagistica dinamicii electronilor și permite urmărirea în timp real a reacțiilor chimice complexe. Metoda presupune direcționarea unor pulsuri laser scurte și intense pe gaze nobile sau pe anumite solide, pentru a obține un puls foarte scurt, de durată attosecundă, cu o frecvență care este un multiplu întreg exact al frecvenței laserului original.
Ce sunt fluctuațiile cuantice
În fizica clasică, lumina este tratată ca undă și descrisă prin intensitate și prin defazajul inițial al vârfurilor undei. La scări foarte mici de timp, spațiu și intensitate intrăm însă în domeniul fizicii cuantice, unde lumina este descrisă prin valori de intensitate și fază, fiecare cu un interval de incertitudine. Chiar și în vid sau în întuneric total apar variații temporare ale energiei într-un punct.
Principiul de incertitudine al lui Heisenberg arată că două mărimi aflate într-o relație matematică precisă nu pot fi cunoscute simultan cu precizie absolută. Incertitudinea limitează măsurători foarte sensibile, precum cele ale ceasurilor atomice sau ale undelor gravitaționale la LIGO. Pentru lumina laser, fluctuațiile cuantice sunt distribuite egal între intensitate și fază, formând un cerc al incertitudinii. Trecerea luminii printr-un cristal neliniar poate reduce incertitudinea unei mărimi cu prețul creșterii celeilalte: cercul se turtește într-o direcție și se alungește în cealaltă, iar lumina astfel obținută se numește lumină comprimată.
Interacțiunea cu grafenul
Studiul analizează grafenul iluminat de o lumină cu două componente de frecvență polarizate circular în sensuri opuse, una având frecvența dublă față de cealaltă. Interacțiunea generează lumină de frecvențe de mai multe ori mai mari decât cele incidente. Pentru lumina fără fluctuații cuantice amplificate se produc unele frecvențe armonice, în timp ce altele — în special multiplii de trei ori ai frecvenței fundamentale — sunt interzise.
Când cercetătorii au considerat că lumina motoare se află într-o stare cuantică comprimată, cu fluctuații amplificate, rezultatele au arătat că fluctuațiile cuantice activează semnalele altfel interzise. Analiza teoretică a arătat că fluctuațiile afectează polarizarea luminii emise. Diferite combinații de parametri ai luminii incidente au produs emisii cu caracteristici specifice, ceea ce indică faptul că lumina emisă poate fi folosită pentru a detecta proprietăți ale luminii incidente. Componentele de frecvență interzise poartă informații distincte despre intensitatea și polarizarea fluctuațiilor cuantice, oferind un parametru observabil experimental.
„O caracteristică importantă a abordării propuse este natura sa ultrafastă. Generarea de armonice superioare are loc într-o fracțiune de ciclu optic, ceea ce permite explorarea interacțiunii dintre lumina cuantică și materie pe scări de timp extrem de scurte”, spune Dixit. Deși studiul se concentrează asupra grafenului, ideea ar putea fi relevantă pentru o clasă mai largă de materiale cuantice și sisteme optice neliniare. Dixit plănuiește să exploreze alte materiale cuantice, să genereze seturi de date pentru antrenarea unui model de învățare automată și să aplice inteligența artificială pentru generalizarea conceptului.
