弹奏吉他弦时，它会像任何振动的物体一样振动，就像波浪一样波动，正如古典物理学定律所预测的那样。但是根据描述物理学在原子尺度上工作方式的量子力学定律，振动不仅应表现为波，而且应表现为粒子（波粒二象性）。当在量子水平上观察时，同一根吉他弦应作为声子的单个能量单位振动。
现在，麻省理工学院和瑞士联邦理工学院的科学家首次在室温下用普通材料制造并观察到一个声子。
之前研究人员仅在超冷温度和真空中探测的精确设计的微观材料中观察到单声子。
研究小组在室温下露天的一块钻石中创造并观察了单声子。10月7日出版的《物理评论X》科学期刊上发表了这项报告。
麻省理工学院卡夫里天体物理与空间研究所的博士后维维舍克·苏德希尔说：“我们的日常经验认为振动是一种波动，而量子力学告诉我们振动是一种粒子，两者之间存在二分法。由于我们的实验是在非常实际的条件下进行的，因此打破了两者的认识界限。”
该团队开发的技术现在可以用于探测其它常见材料的量子振动。这可能有助于研究人员表征太阳能电池中的原子过程，并确定为什么某些材料在高温下超导的原因。从工程角度来看，该团队的技术可用于识别常见的携带声子的材料，这些材料可在未来的量子计算机之间实现理想的互连或传输。
声子是由量子力学描述的振动的单个粒子，也与热有关。例如，当一个由相互连接的原子的有序晶格制成的晶体在一端被加热时，量子力学预测热量以声子或分子之间键的单独振动的形式通过晶体传播。
单声子很难检测，主要是因为它们对热敏感。声子易受任何大于其自身的热能的影响。暴露于较高的热能下可能会触发材料的声子激发大量能量，从而使单个光子的探测成为一个麻烦。
苏德希尔解释说：“如果是这种情况，那么声子的振动就不能从热环境中借用能量来激发一个以上的声子。
为此，研究人员向材料中发射了一个光子脉冲（光粒子），希望一个光子会与单个声子相互作用。发生这种情况时，在称为拉曼散射的过程中，光子应以相互作用的声子赋予其的不同能量反射回去。这样，研究人员即使在超冷温度下，也可以在精心设计的材料中检测到单个声子。
苏德希尔表示：“如何摆脱围绕该物体创建的复杂环境，并将这种量子效应带到我们的常规环境中，以便在更常见的材料中看到它？”从某种意义上来说，这就像使量子力学平民化。”
研究小组将钻石作为测试对象。当钻石晶体在室温下放置时，甚至不存在声子运动，因为在室温下没有能量激发任何东西。
在这种振动安静的声子混合中，研究人员旨在激发一个声子。他们向钻石发出了高频激光脉冲，每个脉冲由1亿个光子组成。这是偶然的机会，其中一个光子会与声子发生相互作用并反射回声子。然后，研究小组将测量碰撞中光子下降的频率以确认它确实撞击了一个声子。
为了揭示出激发的声子的数量，研究人员在声子的能量逐渐衰减时向钻石发出了第二个激光脉冲。对于第一个脉冲激发的每个声子，第二个脉冲可以将其去激励，从而以新的更高能量的光子的形式带走该能量。如果最初仅激发一个声子，则应创建一个新的更高频率的光子。
为了证实这一点，研究人员放置了一个半透明玻璃，这个新的，更高频率的光子将通过该玻璃离开钻石，并且在玻璃的两侧都装有两个检测器。光子不会分裂，因此如果多个声子被激发，然后被二次激发，则产生的光子应穿过玻璃并随机散射到两个探测器中。如果只有一个检测器“点击”，表示检测到单个光子，则研究团队可以确保该光子与单个声子相互作用。
苏德希尔说：“这是确保我们只观察一个声子的巧妙技巧。”
光子与声子相互作用的概率约为100亿分之一。在他们的实验中，研究人员以每秒8000万个脉冲的速度对钻石进行了激发，以检测约100万个光子-声子相互作用。最后，他们发现具有统计学意义的结果是，他们能够创建和检测单个振动量子。
当发送第二个激光脉冲以验证确实创建了单个声子时，研究人员延迟了该脉冲，并在激发声子开始吸收能量时将其发送到钻石中。这样，他们就能收集声子本身衰减的方式。
苏德希尔说：“因此，我们不仅能够探测单个声子的诞生，而且能够探测其死亡。现在我们可以说，使用这种技术能够研究单个声子在您选择的材料中消失所需的时间。这个数字非常有用。如果死亡时间很长，那么该材料可以支撑相干声子。如果是这样，您可以用它做一些有趣的事情，例如太阳能电池中的热传输以及量子计算机之间的互连。”
联系客服
