Forskere ved Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) har teoretisk vist, at fotoner, der er fanget i et optisk hulrum, bærer detaljerede oplysninger om et materiale placeret i det. Ved at måle egenskaberne ved fotonerne, der lækker ud af hulrummet, kan forskere undersøge, hvordan et optisk hulrum ændrer egenskaberne for de indlejrede materialer.
Denne indsigt åbner nye muligheder for eksperimentelle teknikker til at udforske sammenfiltrede lysstofsystemer. Deres arbejde er blevet offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreve.
I henhold til grundlæggende kvantemekanik er tom plads ikke rigtig tom – det er fyldt med partikler, der konstant springer ind og ud af eksistensen, et fænomen kendt som vakuumsvingninger. Denne proces er noget analogt med atomer på overfladen af kogende vand, som løbende hopper ind og ud af væsken.
Interessant nok er mange egenskaber ved magnetiske og isolerende materialer følsomme over for disse udsving. Selvom den gennemsnitlige værdi af udsvingene er nul, er deres varians endelig og kan have væsentlig indflydelse på materiel adfærd.
Ved at bruge spejle af høj kvalitet kan forskere skabe optiske fælder-kendt som optiske hulrum-der kontrollerer vakuumsvingninger og til gengæld ændre de magnetiske eller elektriske egenskaber af et materiale, der er placeret inde. Denne metode tilbyder en kraftfuld ny måde at kontrollere materialer i termisk ligevægt og præsentere et tiltalende alternativ til traditionelle teknikker, der er afhængige af ikke -quilibriumforhold, såsom laserkørsel.
Ændringen induceret af et optisk hulrum kan forstås som en geometrisk indeslutningseffekt, når fotoner hopper frem og tilbage mellem spejle og passerer gennem materialet igen og igen. Dette fører til en effektiv stigning i koblingen mellem lys og stof.
At måle, hvad der foregår inde i hulrummet, er imidlertid en stor udfordring i denne type eksperiment. Da disse strukturer er meget små, med en lateral størrelse i størrelsesordenen 1 mikron, er det meget udfordrende at placere en detektor inde. Som et resultat har eksperimentelt verificering af hulrumsinducerede ændringer af materialer fortsat et langvarigt problem.
I undersøgelsen foreslår forskere fra MPSD en måde at omgå dette problem ved at bruge hulrumsbeslagede fotoner til at lære om egenskaberne ved det indlejrede stof.
Når de demonstrerer nu og da, lækker en foton naturligvis ud af hulrummet og bærer med det værdifuld information om materialet. Ved at måle egenskaberne ved disse udsendte fotoner viser forskerne, at det er muligt at undersøge det indlejrede materiale og studere hulrumsinducerede ændringer.
“På grund af samspillet mellem fotoner og stof er visse egenskaber ved det materielle system præget af fotonerne,” Forklarer Lukas Grunwald, hovedforfatter og doktorand ved MPSD.
Som et proof-of-concept betragtede teamet staten for en brintmodel som en funktion af magnetfeltet. Når magnetfeltet stiger, overgår dette system fra en ikke-magnetisk og sammenfiltret tilstand, en såkaldt “Spin Singlet State,” til en magnetisk tilstand kaldet en “spin triplet” med endelig magnetisering.
“Overraskende kan vi læse denne overgang bare ved at se på antallet af fotoner, der er fanget i hulrummet,” siger Grunwald.
Forskerne studerede også et mere komplekst eksempel, der involverede en lille klynge af magnetiske ioner, der interagerer med et hulrum. I dette tilfælde fandt de også, at materialets egenskaber er kodet i fotonerne.
“Materialets mulige magnetiske tilstande er direkte synlige i frekvensresponsen for de udsendte fotoner,” Siger Emil Viñas Boström, medforfatter og senior postdoktorforsker ved MPSD. “Det, der er spændende, er, at disse forudsigelser skal være muligt at verificere ved hjælp af eksisterende optiske interferometri -målinger.”
Mere generelt håber teamet, at disse banebrydende indsigter kan bruges til at forstå samspillet mellem materialer og hulrumsfotoner, og hvordan hulrumsvingninger påvirker materialetilstanden.
“Vi er kun i begyndelsen af at forstå arbejdsprincipperne for disse hybridsystemer,” Siger Angel Rubio, direktør for teoriafdelingen ved MPSD.
“Vores mål er at bruge ikke-klassiske lysstilstande, til at afdække materielle egenskaber, der forbliver skjult for konventionelle spektroskopiske teknikker,” Rubio fortsætter, “Og i sidste ende for bedre at forstå, hvordan hulrumsfluktuationer kan bruges til at manipulere stoffer.”