Quantenoptik
Unter Quantenoptik sind alle Experimente zu verstehen, bei denen das Licht oder die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie quantifiziert werden soll. Es ist ein boomendes Forschungsfeld an der Grenze zwischen Quantenmechanik und Optik .
Im Kontext der Quantenoptik wird Licht als aus Photonen zusammengesetzt betrachtet , Quantenobjekten, die sich verhalten:
- wie Körperchen in ihren Wechselwirkungen mit Materie,
- und wie Wellen für ihre Ausbreitung.
Die Beschreibung der Dynamik von Photonen ist eine Frage der Quantenmechanik, daher wird ihre Bewegung unter Verwendung von Anwesenheitswahrscheinlichkeiten an einem bestimmten Punkt „beschrieben“ .
Geschichte
Die Natur des Lichts ist seit langem eine Quelle der Debatte innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Daher betrachtete Newton Licht als einen Partikelfluss, während Fresnel einen Wellenansatz bevorzugte. Es war nicht bis zum Aufkommen der Quantenphysik in der frühen XX - ten Jahrhundert zu reagieren auf dieses konzeptionelle Problem.
Der erste, der den Begriff des Photons verwendete, war Einstein , um die Eigenschaften des photoelektrischen Effekts zu erklären , der ihm 1921 den Nobelpreis für Physik einbrachte.
Es war wieder Einstein, der neben Absorption und spontaner Emission einen dritten Mechanismus der elementaren Wechselwirkung von Photonen mit Materie einführte : die stimulierte Emission , die die Grundlage des Lasereffekts bildet . Laser haben den Weg für die Holographie geebnet , eine weitere Anwendung der Quantenoptik.
Louis de Broglie sagte dann in seiner Wellenmechanik voraus , dass sich materielle Teilchen in ihrer Ausbreitung wie Wellen (Wellen der Materie) verhalten sollten, da sich Licht in seinen Beziehungen zur Materie wie ein Teilchen verhält. Dies wurde 1927 von Davisson und Germer in ihrem Elektronenbeugungsexperiment bewiesen . Elektronen fallen daher wie Photonen unter die Gesetze der Quantenoptik. Das Elektronenmikroskop ist also eine Anwendung.
Die erste Beobachtung eines Quantenverhaltens wurde 1976 von H. Jeff Kimble über die Aufhebung der Gruppierung von Photonen (Photon Antibunching) gemacht.
Heutzutage ist die Quantenoptik ein vielversprechendes Forschungsgebiet: Viele Nobelpreisträger der Physik haben in den letzten Jahren die Arbeit in dieser Disziplin belohnt. Zu den jüngsten Gewinnern zählen Serge Haroche , David Wineland , Roy J. Glauber und Claude Cohen-Tannoudji .
Hypothesen
Die grundlegende Hypothese der Quantenoptik lautet, dass jedes Teilchen (Photon, Elektron ...) eine Welle-Teilchen-Dualität aufweist . Dies kann demonstriert werden, indem beispielsweise das Experiment der Youngschen Schlitze Photon für Photon durchgeführt wird.
Denken Sie daran , dass die Wellenlänge und Frequenz sind ähnlich für eine Welle mit einer Geschwindigkeit ausbreitet .
Photonen haben null Masse : Wir können daher nicht ihre definieren Dynamik in einer klassischen Art und Weise durch die Formel . Louis de Broglie findet die Lösung für dieses Problem in seiner These: Der Impuls eines Photons ist tatsächlich gegeben durch wobei h die Plancksche Konstante ist , die mit dem Photon verbundene Wellenlänge , der in Richtung der Strahlungsausbreitung gerichtete Einheitsvektor, die reduzierte Planckkonstante und das Photonenwellenvektor . Umgekehrt kann eine sogenannte "de Broglie" -Wellenlänge einem Teilchen mit einer Masse nach der Formel zugeordnet werden .
Ein ähnliches Problem ergibt sich für die kinetische Energie eines Photons: Man kann die klassische Definition nicht verwenden . In der Quantenoptik, vermittelt durch die Energie eines Photons durch gegeben ist, wo die Frequenz der Lichtwelle und seine Pulsation . Diese Energie entspricht dem Übergang zwischen zwei diskreten Energieniveaus eines Systems (z. B. eines Atoms), das ein Photon emittiert.
Phänomene erklärt durch Quantenoptik
Die Quantenmechanik und insbesondere die Quantenoptik können den Ursprung vieler Phänomene erklären:
- Der Strahlungsdruck ergibt sich aus der Tatsache, dass die Photonen trotz ihrer Nullmasse einen Impuls haben.
- Der photoelektrische Effekt erklärt sich aus der Tatsache, dass die Energieniveaus der Elektronen in einem Atom diskret sind: Energie und Wellenlänge eines Photons sind proportional, nur bestimmte Strahlungen mit sehr genauer Wellenlänge können einen photoelektrischen Effekt erzeugen. Letzteres findet eine direkte Anwendung in Sonnenkollektoren .
Haupterfahrungen
- Die Young-Slots sind extrem einfache quantenoptische Experimente. Sie heben das Wellenverhalten von Partikeln oder neueren Molekülen anhand der erhaltenen Interferenzzahlen hervor .
- Interferometer wie Michelson oder Mach-Zender zeigen auch die Welleneigenschaften von Licht.
- Die Erfahrung von Alain Aspect , die Anfang 1980 durchgeführt wurde, führte zu einer Verletzung von Bell's Ungleichheit . Es liefert einen experimentellen Beweis für das Fehlen versteckter Variablen in der Quantenphysik. Diese hatten eine lebhafte Diskussion zwischen Einstein und provozieren Bohr in der frühen XX - ten Jahrhundert: die erste war , zugunsten ihrer Existenz des EPR Paradox zu erklären - gegründet unter anderem von selbst - während der zweiten nicht für notwendig erachten Quantenphysik zu erklären.
- Die Fertigstellung des ersten Bose-Einstein- Gases im Jahr 1995 durch Eric Cornell und Carl Wieman , die sie 2001 zum Nobelpreis für Physik machten, ist ein weiterer großer Erfolg der Quantenoptik. Letzteres hat es tatsächlich möglich gemacht zu verstehen, wie Atome und Photonen interagieren und wie es daher möglich ist, ein Gas durch den Doppler-Fizeau-Effekt mit Licht zu kühlen .
Literaturverzeichnis
- Romain Maciejko , Einführung in die Quantenoptik , Presses inter Polytechnique,2008334 p.
- Die Website der Quantum Optics Group des Kastler Brossel Laboratory von ENS / UPMC.
- Richard Feynman, Les Cours de Physique , Band Quantenphysik .
Anmerkungen und Referenzen
- Quantenoptik in Google Books
- Einführung in die Quantenoptik in Google Books