Физик, вероятно, описал бы происходящее в терминах природы частиц света. Атом или молекула в люминесцентной лампе, которая находится в возбужденном состоянии, спонтанно распадается до состояния с более низкой энергией, высвобождая частицу, называемую фотоном. Когда фотон попадает в ваш глаз, происходит нечто подобное, но в обратном порядке.
Фотон поглощается молекулой в сетчатке, и его энергия переводит эту молекулу в возбужденное состояние.Свет — это и частица, и волна, и эта двойственность является фундаментальной для физики, которая управляет лилипутским миром атомов и молекул. Однако, казалось бы, в этом случае волновую природу света можно смело игнорировать.Катер Марч, доцент кафедры физики искусств Наука в Вашингтонском университете в Сент-Луисе может дать вам аргумент по этому поводу.
Его лаборатория — одна из первых в мире, кто изучает спонтанное излучение с помощью прибора, чувствительного к волне, а не к природе частиц света, работа описана в выпуске журнала Nature Communications от 20 мая.Его экспериментальный прибор состоит из искусственного атома (на самом деле сверхпроводящей цепи с двумя состояниями или уровнями энергии) и интерферометра, в котором электромагнитная волна излучаемого света интерферирует с опорной волной той же частоты.
По его словам, такой способ обнаружения переворачивает все с ног на голову. Все, что детектор фотонов может сказать вам о спонтанном излучении, — это то, находится ли атом в возбужденном или основном состоянии.
Но интерферометр улавливает атом, диффундирующий через квантовое «пространство состояний», состоящее из всех возможных комбинаций или суперпозиций двух его энергетических состояний.На самом деле это сложнее, чем кажется, потому что ученые отслеживают очень слабый сигнал (электромагнитное поле, связанное с одним фотоном), и большая часть того, что они видят в интерференционной картине, является квантовым шумом. Но шум несет дополнительную информацию о состоянии искусственного атома, которая позволяет им составить карту его эволюции.
При таком рассмотрении искусственный атом может переходить из состояния с более низкой энергией в состояние с более высокой энергией, даже если он следует по неизбежной нисходящей траектории к основному состоянию. «Вы бы никогда этого не увидели, если бы регистрировали фотоны», — сказал Марч.Итак, разные детекторы по-разному видят спонтанное излучение. «Глядя на волновую природу света, мы можем увидеть эту прекрасную диффузную эволюцию между состояниями», — сказал Марч.
Но это становится еще более странным. По словам Марча, тот факт, что среднее возбуждение атома может увеличиваться даже при его распаде, является признаком того, что то, как мы смотрим на свет, может дать нам некоторый контроль над атомами, излучающими свет.Это может звучать как обращение причины и следствия, когда следствие подталкивает причину.
Это возможно только из-за одного из самых странных из всех квантовых эффектов: когда атом излучает свет, квантовая физика требует, чтобы свет и атом стали связаны или запутаны, так что измерение свойства одного мгновенно показывает значение этого. собственность для другого, независимо от того, как далеко он находится.Или, другими словами, каждое измерение запутанного объекта беспокоит его запутанного партнера. По словам Марча, именно это квантовое обратное действие потенциально может позволить детектору света управлять излучателем света.
«Квантовое управление было мечтой много лет», — сказал Марч. «Однажды мы можем использовать его для улучшения флюоресцентной визуализации, обнаруживая свет таким образом, чтобы создавать суперпозиции в излучателях.«Это очень долгий срок, но это идея», — сказал он.