Neviditeľný fotón
Teplota, okrem iného, určuje aj množstvo tepla, ktoré telesá vyžarujú vo forme elektromagnetického žiarenia. Naše telo svieti infračerveno a jeho žiarenie bez termokamery nevidíme. No napríklad pri zahrievaní železa vidíme, že rôzna teplota znamená jeho rôznu farbu.
Tepelné žiarenie
Fyzici 19. storočia skúmali závislosti medzi žiarením a teplotou, experimentálne výsledky však boli v principiálnom rozpore s existujúcou fyzikou. Výpočty predpovedali nekonečné množstvo ultrafialového žiarenia, no v realite je toto žiarenie minimálne. Tepelnému žiareniu naozaj dominuje práve to infračervené, ktoré si spájame s pocitom tepla, napríklad keď sa vyhrievame v slnečných lúčoch.
Termálne žiarenie. Rôzna teplota rozpáleného železa má rôznu farbu.
Žiarenie čierneho telesa. Fyzika konca 19. storočia predpovedala pre závislosť intenzity žiarenia od jeho frekvencie katastrofický scenár (tzv. ultrafialová katastrofa – čiarkovaná čiara). Wilhelm Wien v roku 1893 odvodil priamu úmernosť medzi frekvenčnými maximami intenzít a teplotou (f ~ T). Max Planck pomocou myšlienky fotónu vysvetlil pozorované intenzity žiarenia pre rôzne teploty. Napríklad pri 6000 K (teplota povrchu Slnka) majú všetky farby z viditeľnej časti frekvencií zrhuba rovnakú intenzitu. Preto jeho žiarenie pozorujeme ako biele svetlo.
V roku 1900 Max Planck skúsil výpočty s predpokladom, že energia skúmaného žiarenia môže byť iba celočíselným násobkom akéhosi základného kvanta energie. Dôvodom podľa M. Plancka nie je žiarenie samotné, ale oscilácie atómov, ktoré v materiáli vytvárajú stojaté vlny (ako na gitare), a preto nemajú ľubovoľnú frekvenciu a energiu odovzdávanú formou žiarenia. Navrhol, že veľkosť vyžiareného kvanta energie závisí priamoúmerne od frekvencie žiarenia. To znamená, že ultrafialové kvantum má viac energie ako viditeľné alebo infračervené. M. Planck so svojím trikom uspel. Podarilo sa mu získať podozrivo presnú zhodu s pozorovaniami a určiť aj konštantu úmernosti medzi energiou kvanta a frekvenciou. Dnes ju poznáme pod názvom Planckova konštanta a má hodnotu h = 6,626 070 15 × 10-34 J · s-1. Sám M. Planck však nespájal kvantá energie s časticovou povahou žiarenia, ale skôr s vlastnosťami látky. O principiálnej existencii kvánt elektromagnetického žiarenia ho presvedčili až ďalšie experimenty a ich vysvetlenia.
Fotoelektrický jav
Predstavte si, že dodávate atómom v látke energiu, vďaka ktorej elektróny v atómoch zvýšia svoju pohybovú energiu. Prirodzená logika nám hovorí, že existuje určitá kritická hodnota dodanej energie, pri ktorej príde k uvoľneniu elektrónov z atómov látky. Bolo prekvapením, keď fyzici zistili, že to nie je celkom úplne pravda, ak je energia dodávaná vo forme elektromagnetického žiarenia.
V roku 1887 Heinrich Hertz vo svojom experimente spozoroval, že pri ultrafialovom žiarení je iskrenie medzi dvoma hrotmi silnejšie aj pri nižších intenzitách svetla. Vyskúmal, že ultrafialové žiarenie na rozdiel od viditeľného svetla oveľa efektívnejšie uvoľňuje z kovov náboje – elektróny. Množstvo uvoľnených elektrónov v dôsledku dopadajúceho žiarenia nie je len vecou jeho intenzity. Keby sme svietili viditeľným alebo infračerveným svetlom ľubovoľnej intenzity na zinok, meď alebo železo, nijaké elektróny by sme nezískali. Keby sme však použili ultrafialové žiarenie, elektróny by boli uvoľnené a ich počet by závisel od intenzity tohto žiarenia. Pozorovali by sme fotoelektrický jav.
Ukázalo sa, že na uvoľnenie elektrónu pomocou elektromagnetického žiarenia potrebujeme, aby žiarenie malo istú kritickú frekvenciu (jej hodnota závisí od látky). Akékoľvek žiarenie s nižšou frekvenciou nemá šancu a každé žiarenie s vyššou frekvenciou elektróny uvoľní. Ďalším dôležitým pozorovaním, ktoré odporuje našej skúsenosti, je, že žiarenie s nadkritickou frekvenciou uvoľní nejaký elektrón aj pri minimálnej intenzite, t. j. netreba čakať, kým elektrón energiu nazbiera. No to ešte nie je všetko.
Fotoelektrický jav. Na obrázku vidíme, že ak rozdelíme svetlo na jednotlivé farebné zložky, tak fotóny niektorých farieb neuvoľnia z látky nijaké elektróny. Pre fotóny vyšších energií vyletia z látky elektróny s rôznou rýchlosťou, ktorá závisí iba od ich frekvencie (farby).
Ďalšiu zvláštnosť fotoelektrického javu odhalil pôvodom maďarský Prešporčan Filip Lenard, ktorý pôsobil ako asistent H. Hertza práve v čase, keď objavil fotoelektrický jav. F. Lenard sa vypracoval na experta na katódové trubice, v ktorých systematicky študoval aj vlastnosti fotoelektrického javu. V roku 1902 objavil, že jednotlivé elektróny uvoľnené pri fotoelektrickom jave majú všetky úplne rovnakú pohybovú energiu a táto energia nezávisí od intenzity dopadajúceho žiarenia, iba od jeho frekvencie. Ako je to možné?
Scéna pre časticu svetla
V roku 1905 bolo všetko pripravené na to, aby Albert Einstein vyslovil myšlienku, že samotné elektromagnetické žiarenie je zložené z nedeliteľných kvánt energie – častíc, ktoré v roku 1926 pomenoval chemik Gilbert N. Lewis fotóny (častice svetla). Intenzita žiarenia je vyjadrením počtu fotónov obsiahnutých v žiarení. Čím väčšia intenzita, tým viac fotónov. A frekvencia žiarenia určuje energiu jedného fotónu podľa Planckovho vzťahu E = h · f. S predstavou existencie fotónu je vysvetlenie zvláštností fotoelektrického javu vcelku jednoduché a nemusíme si ho vôbec komplikovať samotnou kvantovou fyzikou, ktorá práve týmto momentom začala vznikať.
Elektromagnetické žiarenie je prúdom fotónov, ktoré prenikajú do látky a narážajú na elektróny. Elektrón potrebuje istú kritickú únikovú energiu, aby sa z atómu dostal preč. Ak fotón túto energiu nemá, tak elektrón túto energiu ani nedokáže prevziať. Ak ju má, tak sa elektrón uvoľní a jeho pohybová energia je daná rozdielom medzi energiou fotónu a únikovou energiou elektrónu. Inými slovami, každý uvoľnený elektrón má rovnakú pohybovú energiu presne tak, ako to zmeral F. Lenard. Celkový počet uvoľnených elektrónov súvisí s celkovým počtom fotónov v dopadajúcom žiarení.
Vidieť fotón
Z celkovej energie elektromagnetického žiarenia vieme určiť počet fotónov, ktoré obsahuje. Bežná žiarovka používaná na osvetlenie miestnosti vyprodukuje rádovo 1020 fotónov každú sekundu. Do nášho oka dopadne každú sekundu približne 108 fotónov, ale naše receptory sú natoľko citlivé, že dokážu zaregistrovať aj jediný fotón. Do mozgu bežného človeka sa však typicky dostane len signál, ktorý vytvorí aspoň päť fotónov počas desatiny sekundy, čo je približne perióda, s akou mozog prijíma nové údaje.
Detekcia jedného fotónu na sietnici nie je možno až taká prekvapivá, keďže na atomárnej úrovni jeden fotón dokáže ovplyvniť molekuly a atómy. Situácia je však zložitejšia, ak naozaj smeruje do látky iba jeden jediný fotón. Teraz už vieme, že veľká časť objemu látky je prázdna a elektromagnetické žiarenie sa v látke nielen absorbuje, ale aj odráža, resp. cez látku prechádza. Všetko toto znižuje šance fotónu prejaviť sa. Riešením detekcie fotónu sú viditeľné fyzikálne zmeny, ktoré vie vyvolať jediný fotón. Typickým príkladom sú tzv. fázové premeny, pri ktorých malá zmena vonkajších parametrov dokáže úplne zmeniť charakter objektu, napríklad premeniť vodu na ľad.
Revolučné detektory
Vývoj jednofotónových detektorov je veľmi aktívna oblasť teoretického a inžinierskeho výskumu. Súčasným lídrom v oblasti jednofotónovej detekcie sú supravodivé nanovláknové jednofotónové detektory (SNSPD). Princípom detekcie je zahriatie nanovlákna zachyteným fotónom, čím sa stratí jeho supravodivosť a prudký nárast odporu interpretujeme ako detekciu fotónu. SNSPD experimentálne dosahujú pre fotóny štandardnej telekomunikačnej vlnovej dĺžky 1 550 nm viac ako 98 % úspešnosť detekcie a dokážu detegovať nový fotón každých 30 nanosekúnd. Drobnou nevýhodou je nízka prevádzková teplota iba niekoľko kelvinov.
Vytvorenie vlastného prototypu detektora SNSPD a jeho nasadenie v kvantovej komunikačnej sieti je jedným z cieľov projektu skQCI. Jednofotónové detektory majú predpoklad naštartovať revolúciu v mnohých oblastiach – napríklad zefektívniť komunikáciu so vzdialenými satelitmi, zvýšiť citlivosť medicínskych a materiálových zobrazovacích metód, vytvoriť kvantovo zabezpečenú komunikačnú vrstvu alebo aj pomôcť skúmať exoplanéty či tmavú hmotu.
Fotoelektrický jav. Na obrázku vidíme, že ak rozdelíme svetlo na jednotlivé farebné zložky, tak fotóny niektorých farieb neuvoľnia z látky nijaké elektróny. Pre fotóny vyšších energií vyletia z látky elektróny s rôznou rýchlosťou, ktorá závisí iba od ich frekvencie (farby).