Z fotonami światła jest nadal sporo kłopotów.Im więcej o nich wiemy, tym bardziej stają się tajemnicze. Lubią przebywać w tłumie,podobnie jak pewne gatunki ptaków w różnych częściach świata,najczęściej w późnej porze dnia ,tworzą gęstą chmurę [nieraz kilkudziesięciu tysięcy jednostek] ,która ma własną,indywidualną i żywą formę/postać,własną kinematykę i dynamikę,i przygodny obserwator doświadcza jej obecności ,a nie obecności konkretnego ptaka.
Gdy widzimy strumień światła,mówimy: lecą fotony, strumień fotonów. Czy to jest prawdą?Czy jest eksperyment ,który wykrywa w locie pojedyncze fotony? Nie znam odpowiedzi na to pytanie. Żeby zobaczyć fotony w locie ,musielibyśmy je oświetlić fotonami. Czy wykryto eksperymentalnie takie oddziaływanie? Rozpraszanie fotonu na fotonie? Przypuszczam,że nie.
Wprawdzie grupa fizyków polskich z AGH [1]sygnalizowała na początku roku 2016 ,ze takie zjawisko prawdopodobnie pojawiło się w ich eksperymencie [w roku 2015] chociaż jego celem było wytropienie losów cząstki Higgsa, ale brak potwierdzenia tego przez inną, niezależną grupę eksperymentatorów.
Pisząc definitywnie, obecność fotonów stwierdzamy tylko w dwóch aktach: emisji światła, oraz absorpcji światła. Kwantowa teoria pola w swych teoretycznych bazgrołach upiera się przy rozpraszaniu fotonów na fotonach ,ale kto by tam ją chciał traktowac poważnie , kiedy sam jej twórca R.Feynman - „zgrywus” mawiał kordialnie:”uwierz w QFT,a wyjdziesz na głupka”.
Emisja pojedynczego fotonu przez wzbudzony uprzednio atom[lub jądro atomu] od wielu lat nie sprawia kłopotów zarówno teoretycznych jaki w schemacie jej laboratoryjnym badaniu.
Natomiast wykrywanie pojedyńczego fotonu w akcie absorpcji[ z pomiarem wartosci jego energii] ,były poważne kłopoty.
Dlatego doniesienie[2] o opracowaniu przez Evana Walsha iKin Chung Fonga[ orazgrupę ichwspółpracowników]z firmy Raytheon BBN Technologies [w Cambridge,,, Massachusetts,USA] projektu detektora pojedynczych fotonów
dr Kin Chun Fong [foto:linkedin.com]
,wzbudziło ogromne zainteresowanie światowych środowisk badawczych fotoniki kwantowej.
Detektor pojedyńczych fotonów wykorzystuje własności grafenu, oraz złącza Josephsona.
Grafen jest to materiał,który naturalnie nie występuje na Ziemi.Można go uzyskać [dla celów badawczych, nie przemysłowych] z grafitu odrywając [uprzednio przyklejoną do powierzchni grafitu] taśmę klejącą.Otrzymany grafen jest płaską strukturą złożoną z atomów węgla w narożach sześciokątów foremnych.
Dwuwymiarowy model grafenu.Foto:wikipedia
Grubość grafenu jest równa średnicy atomu,można więc z dobrym przybliżeniem mówić o materiale 2D.Grafen ma przewodnictwo elektryczne i cieplne lepsze od srebra,wytrzymałość na obciążenie większą od stali konstrukcyjnej.
Elektrony w grafenie są bezmasowymi fermionami Diraca,o prędkościach przepływu rzędu1/300*c, a ich energia jest zaależna od pędu tak jak dla fotonu [E = p*c].Powiedzieć,że grafen jest substancją o niezwykłych własnościach to znaczy nic nie powiedzieć.Grafen jest materiałem poza-ziemskim,takie substancje prawdopodobnieczekają na nas, na innych ciałach Układu Słonecznego.
Zaś złącze Josephsona, to układ dwóch nadprzewodników rozdzielonych cieńką warstwą izolatora[dielektryk o grubości nanometrów],utrzymywany w kriostanie , blisko zera bezwzględnego.
W układzie występuje efekt tunelowania, czyli przenikania elektronów przez wąską warstwę przy bardzo niskim napięciu,oraz efekt Meissnera ,
Ten ostatni polega na tym , że w jednym z nadprzewodników tworzących złącze Josephsona, prąd płynący wywołuje -przy pewnym natężeniu-pole magnetyczne, które niszczy stan nadprzewodzący w drugim nadprzewodniku. Złącze może zastępować działanie tranzystora,z tym ,że jego szybkość przełączania jest setki razy większa od szybkości tranzystorów ,a pobór mocy tyle samo razy - mniejszy.
Detektor do wykrywania pojedyńczego fotonu nawet podczerwieni[czyli fotonu o bardzo małej energii] opracowany przez zespól Walsha-Fonga zawiera arkusz grafenu wsunięty między dwa materiały nadprzewodzące, tworząc złącze Josephsona w temperaturze kriogenicznej.
Foto: aps.org
W niskich temperaturach i przy braku fotonów, przepływa przez urządzenie prąd nadprzewodzący. Jeżeli z falowodu skierujemy na grafen jeden foton podczerwieni,to jego energia spowoduje ogrzanie warstwy grafenu,który natychmiastzmienia połączenie Josephsona tak, że nie może przepływać nadprzewodnikowy prąd. W ten sposób foton możebyć wykryty,aprzez pomiarowe monitorowanie prądu przepływającego -zmierzona jego energia.
Detektor na bazie grafenu i Josephson-Junction,według patentu Walsha-Fonga może wykrywać kwanty fal radiowych dzięki wyjątkowym własnościom nanofotoniki kwantowej grafenu i może odegrać ważną rolę w obserwacji najmniejszych, lub niewidzialnych obiektów w kosmosie.
Literatura
[1]Atlas Colllaboration,Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC,arXiv:1702.01625
[2] E.D.Walsh , Kin Chung Fong and all , Graphene-Based Josephson-Junction Single-Photon Detector,Phys. Rev. Applied 8 , 024022,24.08. 2017.Dostępny tutaj:https://arxiv.org/pdf/1703.09736
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Technologie
