В квантовой физике даже «пустое» пространство не по-настоящему пустое. Оно кипит от так называемых вакуумных флуктуаций — спонтанных колебаний, в которых частицы возникают и исчезают. Эти флуктуации могут влиять на свойства магнитных и изоляционных материалов, хотя их среднее значение равно нулю. Удержать и управлять этими флуктуациями можно с помощью оптических полостей — микроскопических зеркальных ловушек для света.
Когда в такую полость помещают материал, световые колебания взаимодействуют с его атомами и могут изменить его поведение. Но как узнать, что именно происходит внутри?
Проблема в том, что оптические полости слишком малы (размером около одного микрона), чтобы поместить туда измерительные приборы. Исследователи из Института структуры и динамики материи Макса Планка нашли изящный выход: изучать свойства фотонов, которые со временем покидают полость. Эти «утекающие» фотоны несут информацию о том, как именно свет взаимодействовал с веществом; исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Взаимодействие фотонов с веществом оставляет отпечатки — по сути, материал сам рассказывает о себе через излучение.
Команда показала, что с помощью фотонного анализа можно определить даже переход между квантовыми состояниями, например, из сцепленного спина в несцепленный.
Работа ученых описывает, как такие измерения можно применять к сильно коррелированным системам — материалам, в которых электроны взаимодействуют особенно интенсивно. Метод основан на квантовой оптической теории ввода-вывода, где фотонный сигнал снаружи полости напрямую связан с корреляциями внутри нее.
На практике это означает, что ученые могут оптически диагностировать сложные материалы, не нарушая их состояние. Более того, предлагаемый метод позволяет не только «слышать» статическую структуру вещества, но и отслеживать его динамическое поведение во времени.
Исследование открывает путь к новому классу экспериментов, где оптические полости действуют как квантовые «стетоскопы» — инструменты для наблюдения за скрытыми свойствами вещества. Особенно перспективно это для изучения топологических фаз, спиновых жидкостей и других трудноуловимых состояний материи, которые не видны обычной спектроскопии, сообщает издание Phys.
Мы только начинаем понимать принципы работы этих гибридных систем. Наша цель — использовать неклассические состояния света, чтобы раскрыть свойства материалов, которые остаются скрытыми для обычных спектроскопических методов, и в конечном итоге лучше понять, как флуктуации полости можно использовать для управления материей.
Ранее мы сообщали, как квантовый генератор случайных чисел впервые был интегрирован с блокчейном.