Max Planck Maddenin Yapısı ve Dinamikleri Enstitüsü’ndeki araştırmacılar (MPSD) teorik olarak optik bir boşluğun içinde sıkışan fotonların içine yerleştirilen bir malzeme hakkında ayrıntılı bilgi taşıdığını göstermiştir. Araştırmacılar, boşluktan sızan fotonların özelliklerini ölçerek, bir optik boşluğun gömülü malzemelerin özelliklerini nasıl değiştirdiğini araştırabilirler.
Bu içgörü, dolaşmış ışık maddesi sistemlerini keşfetmek için deneysel teknikler için yeni olasılıklar açar. Çalışmaları şurada yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları.
Temel kuantum mekaniğine göre, boş alan gerçekten boş değil – sürekli olarak var olan parçacıklarla dolu, vakum dalgalanmaları olarak bilinen bir fenomen. Bu işlem, sürekli olarak sıvının içine ve dışına atlayan kaynar suyun yüzeyinde atomlara benzer.
İlginç bir şekilde, manyetik ve yalıtım malzemelerinin birçok özelliği bu dalgalanmalara duyarlıdır. Dalgalanmaların ortalama değeri sıfır olmasına rağmen, varyansları sonludur ve malzeme davranışını önemli ölçüde etkileyebilir.
Yüksek kaliteli aynalar kullanarak, bilim adamları optik boşluklar olarak bilinen optik tuzaklar oluşturabilir ve bu da vakum dalgalanmalarını kontrol edebilir ve buna göre içine yerleştirilen bir malzemenin manyetik veya elektrik özelliklerini değiştirebilirler. Bu yöntem, lazer sürüşü gibi dengesizlik koşullarına dayanan geleneksel tekniklere çekici bir alternatif sunan termal dengedeki malzemeleri kontrol etmek için güçlü bir yeni yol sunar.
Bir optik boşluk tarafından indüklenen modifikasyon, fotonlar aynalar arasında ileri geri sıçradığı ve malzemeden tekrar tekrar geçtiği için geometrik bir hapsetme etkisi olarak anlaşılabilir. Bu, ışık ve madde arasındaki bağlantıda etkili bir artışa yol açar.
Bununla birlikte, boşluğun içinde neler olup bittiğini ölçmek bu tür deneylerde büyük bir zorluktur. Bu yapılar çok küçük olduğundan, 1 mikron sırasında yanal boyutta, içine bir dedektör yerleştirmek çok zordur. Sonuç olarak, malzemelerde boşluğa bağlı modifikasyonların deneysel olarak doğrulanması uzun süredir devam eden bir sorun olmuştur.
Çalışmada, MPSD’den araştırmacılar, gömülü maddenin özellikleri hakkında bilgi edinmek için boşluk tuzaklı fotonları kullanarak bu sorunu atlatmanın bir yolunu önermektedir.
Arada sırada gösterdikleri gibi, bir foton doğal olarak boşluktan sızar ve materyal hakkında değerli bilgiler taşır. Bu yayılan fotonların özelliklerini ölçerek, araştırmacılar gömülü malzemeyi araştırmanın ve boşluğa bağlı modifikasyonları incelemenin mümkün olduğunu göstermektedir.
“Fotonlar ve madde arasındaki etkileşimler nedeniyle, malzeme sisteminin belirli özellikleri fotonlara basılmıştır,” MPSD’nin baş yazar ve doktora öğrencisi Lukas Grunwald açıklıyor.
Bir kavram kanıtı olarak, ekip bir hidrojen modelinin durumunu manyetik alanın bir fonksiyonu olarak kabul etti. Manyetik alan arttıkça, bu sistem manyetik olmayan ve dolaşmış bir durumdan geçer, sözde “Singlet State spin,” a denilen manyetik duruma “spin üçlüsü” Sonlu mıknatıslanma ile.
“Şaşırtıcı bir şekilde, bu geçişi sadece boşlukta hapsolmuş foton sayısına bakarak okuyabiliriz,” diyor Grunwald.
Araştırmacılar ayrıca, bir boşlukla etkileşime giren küçük bir manyetik iyon kümesini içeren daha karmaşık bir örnek incelediler. Bu durumda da, malzemenin özelliklerinin fotonlarda kodlandığını bulmuşlardır.
“Malzemenin olası manyetik durumları, yayılan fotonların frekans tepkisinde doğrudan görülebilir,” MPSD’de ortak yazar ve Kıdemli Doktora Sonrası Araştırmacı Emil Viñas Boström diyor. “Heyecan verici olan, bu tahminlerin mevcut optik interferometri ölçümlerini kullanarak doğrulanması gerektiğidir.”
Daha genel olarak, ekip bu çığır açan anlayışların malzemeler ve boşluk fotonları arasındaki etkileşimi ve boşluk dalgalanmalarının malzeme durumunu nasıl etkilediğini anlamak için kullanılabileceğini umuyor.
“Sadece bu hibrit sistemlerin çalışma ilkelerini anlamanın başlangıcındayız,” MPSD teori departmanı direktörü Angel Rubio diyor.
“Amacımız, klasik olmayan ışık durumlarını kullanmak, geleneksel spektroskopik tekniklere gizli kalan malzeme özelliklerini ortaya çıkarmaktır,” Rubio devam ediyor, “ve nihayetinde boşluk dalgalanmalarının maddeyi manipüle etmek için nasıl kullanılabileceğini daha iyi anlamak için.”
