Kvanteoptikk

Den kvanteoptiske betyr alle eksperimenter der lyset eller samspillet mellom lys og materie som skal kvantifiseres. Det er et blomstrende forskningsfelt, på grensen mellom kvantemekanikk og optikk .

I sammenheng med kvanteoptikk anses lys å bestå av fotoner , kvanteobjekter som oppfører seg:

som kropp i deres interaksjon med materie,
og som bølger for forplantning.

Beskrivelsen av dynamikken til fotoner er et spørsmål om kvantemekanikk, og deres bevegelse blir derfor "beskrevet" ved bruk av sannsynlighet for tilstedeværelse på et gitt punkt.

Historie

Selve naturen har lenge vært en kilde til debatt i det vitenskapelige samfunnet. Dermed betraktet Newton lys som en strøm av partikler, mens Fresnel favoriserte en bølgetilnærming. Det var ikke før advent av kvantefysikken i begynnelsen av XX th -tallet til å reagere på dette konseptuelle problemet.

Den første som brukte begrepet foton var Einstein for å forklare egenskapene til den fotoelektriske effekten , som ga ham Nobelprisen i fysikk i 1921.

Det var igjen Einstein som introduserte en tredje mekanisme for elementær interaksjon av fotoner med materie, i tillegg til absorpsjon og spontan emisjon : stimulert emisjon , som er grunnlaget for lasereffekten . Lasere har banet vei for holografi , en annen anvendelse av kvanteoptikk.

Louis de Broglie spådde da i sin bølgemekanikk at siden lys oppfører seg som en partikkel i dets forhold til materie, omvendt, bør materielle partikler oppføre seg som bølger (bølger av materie) i deres forplantning. Dette ble bevist av Davisson og Germer i 1927 i deres elektrondiffraksjonseksperiment. Elektroner, som fotoner, faller derfor under lovene for kvanteoptikk. Den elektronmikroskop er slik at en applikasjon.

Den første observasjonen av en kvanteoppførsel ble gjort av H. Jeff Kimble i 1976 om avgruppering av fotoner (fotonantibunching).

I dag er kvanteoptikk et veldig lovende forskningsfelt: mange nobelprisvinnere i fysikk har belønnet arbeid i denne disiplinen de siste årene. Blant de nylige vinnerne er Serge Haroche , David Wineland , Roy J. Glauber og Claude Cohen-Tannoudji .

Hypoteser

Den grunnleggende hypotesen om kvanteoptikk er at enhver partikkel (foton, elektron ...) presenterer en bølge-partikkel dualitet . Dette kan demonstreres ved for eksempel å utføre eksperimentet med Youngs spalter foton for foton.

Husk at bølgelengde og frekvens er relatert til en bølge som forplantes i hastighet . $\ lambda$ $\naken$ ${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {c} {\ nu}}}$ $vs.$

Fotoner har null masse : vi kan derfor ikke definere deres fremdrift på en klassisk måte med formelen . Louis de Broglie finner løsningen på dette problemet i sin avhandling: fremdrift av et foton faktisk er gitt av hvor h er Plancks konstant , den bølgelengden som er knyttet til fotonet, enhetsvektoren rettet i retning av stråling formering, den reduserte Plancks konstant og den fotonbølgevektor . Motsatt kan en såkalt "de Broglie" bølgelengde assosieres med en partikkel som har en masse etter formelen . $\ vec {p} = m \ vec {vb}$ ${\ displaystyle {\ vec {p}} = {\ frac {h} {\ lambda}} {\ vec {u}} = \ hbar {\ vec {k}}}$ $\ lambda$ $\ vec {u}$ $\ hbar$ ${\ vec {k}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {DB} = {\ frac {h} {p}}}$

Et lignende problem oppstår for kinetisk energi til et foton: man kan ikke bruke den klassiske definisjonen . I kvanteoptikk, energien transporteres av et foton er gitt ved hvor er frekvensen av den lysbølge og dens pulsering . Denne energien tilsvarer overgangen mellom to diskrete energinivåer i et system (f.eks. Et atom) som sender ut et foton. $E_c = \ frac {1} {2} mv ^ 2$ ${\ displaystyle E = h \ nu = \ hbar \ omega}$ $\naken$ $\ omega$

Fenomener forklart med kvanteoptikk

Kvantemekanikk og nærmere bestemt kvanteoptikk kan forklare opprinnelsen til mange fenomener:

Den strålingstrykk oppstår fra det faktum at fotoner har en fart til tross for deres null masse.
Den fotoelektriske effekten forklares med det faktum at energinivåene til elektronene i et atom er diskrete: energi og bølgelengde til et foton er proporsjonalt, bare visse strålinger med veldig presis bølgelengde kan generere en fotoelektrisk effekt. Sistnevnte finner en direkte applikasjon i solcellepaneler .

Hovedopplevelser

De unge sporene er svært enkel quantum optikk eksperiment. De fremhever bølgeatferden til partikler eller nylig molekyler via interferensfigurene oppnådd.
Interferometre som Michelsons eller Mach-Zenders demonstrerer også lysets bølgeegenskaper.
Den opplevelsen av Alain Aspect , gjennomført tidlig i 1980, noe som resulterer i et brudd på Bells ulikhet . Det gir eksperimentelt bevis på fraværet av skjulte variabler i kvantefysikk. Disse hadde provosert en livlig debatt mellom Einstein og Bohr i begynnelsen av XX th århundre: den første var i favør av deres eksistens å forklare EPR-paradokset - etablert blant annet av seg selv - mens andre ikke anser nødvendig å forklare kvantefysikk.
En annen stor prestasjon med kvanteoptikk er oppnåelsen av det første gassformede Bose-Einstein-kondensatet i 1995 av Eric Cornell og Carl Wieman , som vant dem Nobelprisen i fysikk i 2001. Sistnevnte har faktisk gjort det mulig å forstå hvordan atomer og fotoner samhandler og derfor hvordan det er mulig å avkjøle en gass med lys ved hjelp av Doppler-Fizeau-effekten .

Bibliografi

Romain Maciejko , Introduksjon til kvanteoptikk , Presses inter Polytechnique,2008, 334 s.
Den nettsiden til Quantum Optics gruppe av Kastler Brossel Laboratory of ENS / UPMC.
Richard Feynman, Les Cours de Physique , bind Quantum Physics .

Merknader og referanser

Kvanteoptikk på Google Bøker
Innledende kvanteoptikk på Google Bøker