Tanec svetla a hmoty
Pri pohľade cez priehľadný materiál sa nám za istých podmienok zmiešavajú dva obrazy. Vidíme, čo sa nachádza vonku za sklom, a súčasne vnímame aj svetlo odrazené zvnútra. Čo sa deje na úrovni fotónov a atómov?
Väčšina z nás má skúsenosť, že pri dopade svetla na látku nastanú tri javy. Časť svetla látka pohltí, časť ňou prejde a časť svetla sa odrazí. Jednotlivé časti môžu byť nulové a závisieť od frekvencie svetla. Vďaka kvantovej fyzike vieme vysvetliť vlastnosti materiálov okolo nás a tiež ich interakcie so svetlom. Ak fotón dopadne na molekulu alebo atóm, tak neprichádza k akejsi mechanickej zrážke, ktorej výsledkom je odrazenie sa fotónu od steny molekúl. Fotón prináša potenciálne kvantum energie a na úrovni kvantovej fyziky sa stretávajú kvantové vlny fotónov svetla a častíc látky. Tie sa pustia do spoločného tanca, ktorý popisuje Schrödingerova rovnica. Výsledkom môže byť, že fotón sa pohltí, ale aj to, že sa odrazí, alebo prejde okolo atómu bez povšimnutia. Najmä ak nie je ten pravý „do tanca“.
Kolobeh fotónov
Pohltením fotónu sa kvantová vlna života fotónu nekončí. Nepôjdeme teraz do detailov, ale elektromagnetické pole aktívne existuje, aj keď neobsahuje nijaký fotón. Z pohľadu kvantovej fyziky nie je principiálny rozdiel medzi popisom stavu svetla, ktoré má nula fotónov alebo sto fotónov. V oboch prípadoch hovoríme o fotónovej kvantovej vlne, ktorá je aj bez fotónu vždy prítomná a pripravená na zrod fotónov.
Fotón pri pohltení odovzdá časticiam látky svoju energiu. Možno aj viac, ako potrebujú, a nemusí im to „vyhovovať“. Zbavia sa jej a výsledkom je vyžiarenie fotónu alebo aj fotónov. Tento proces poznáme pod názvom spontánna emisia (samovoľné vyžiarenie). Vyžiarené fotóny môžu mať inú frekvenciu ako pôvodný, ale bežnejšie majú rovnakú. Okrem energie získajú častice látky od fotónu hybnosť a polarizáciu. Vyžiarený fotón tieto vlastnosti môže v rôznej miere reflektovať, čo sa prejavuje ako vlastnosť materiálu. Smerovanie vyžiareného fotónu súvisí s tým, či o tomto fotóne hovoríme ako o odrazenom, alebo ako o tom, čo prešiel.
Spontánna a stimulovaná emisia
Pravdepodobnosť nezávislého správania
V optických experimentoch často používame polopriesvitné kúsky hmoty a tieto zariadenia voláme zväzkodeliče. Z pohľadu fotónu si ideálny zväzkodelič môžeme predstaviť ako stenu s dverami presne v mieste dopadu, ktoré sa buď otvoria a fotón nerušene pokračuje ďalej, alebo zostanú zatvorené a fotón sa odrazí. Predstavte si situáciu, že k týmto dverám prichádzajú súčasne dva fotóny, no každý z opačnej strany. Ak sa dvere otvoria, tak je prirodzené si predstaviť, že sa zrazia ako dve biliardové gule. Výsledkom by bolo, že obidva fotóny zostanú na svojej strane dverí a postupujú ďalej, akoby sa dvere neotvorili.
Nemáme však dôvod myslieť si, že otvorenie pomyselných dverí sa nedeje individuálne pre každý fotón zvlášť. Inými slovami, mohlo by to fungovať aj tak, že jednému sa dvere otvoria a druhému zostanú zatvorené. A to napriek tomu, že prišli oba k tým istým dverám súčasne. S takouto predstavou nezávislého správania sa fotónov môžu nastať štyri situácie: oba fotóny skončia na ľavej strane, oba fotóny skončia na pravej strane, fotóny si vymenia strany a fotóny zostanú na svojich stranách. Ak predpokladáme, že každý z fotónov osobitne má rovnakú šancu buď prejsť, alebo sa odraziť, tak každá z týchto možností je rovnako pravdepodobná.
Záhada optického zväzkodeliča
V roku 1987 Chung Ki Hong, Zheyu Jeff Ou a Leonard Mandel zrealizovali takýto experiment s dvoma fotónmi a zväzkodeličom. Pozorovali, že dve zo štyroch možností vôbec nenastanú. Oba fotóny vždy skončia spoločne na jednej strane zväzkodeliča. Osobitne zaznamenávali iba možnosti, keď detektory na ľavej a pravej strane zaznamenajú fotón súčasne. Sledovali závislosť súčasnej detekcie fotónov od toho, do akej miery sa presne oba
fotóny prekrývajú na zväzkodeliči. Početnosť v momente prekrytia klesla na nulu a vytvorila tzv. Hong-Ou-Mandel dip (HOM).
V grafe v ľavej časti obrázka je ukázaná pravdepodobnosť procesu stretnutia dvoch fotónov na zväzkodeliči pre prípad rozlíšiteľných fotónov (šedá) a nerozlíšiteľných fotónov (zelená). V pravej časti obrázka je znázornená pravdepodobnosť kliknutia oboch detektorov v závislosti od prekryvu (rozlíšiteľnosti) fotónov vo zväzkodeliči. V prípade presného načasovania pravdepodobnosť klesne na nulu.
Vysvetlenie HOM spočíva v nerozlíšiteľnosti fotónov rovnako načasovaných na zväzkodeliči. Zo zanechaného páru stôp na fotografickej platni alebo CCD kamere nevieme povedať, ktorý záznam zodpovedá ktorému fotónu. Kvantová neurčitosť nám zabraňuje identifikovať trajektórie ich pohybu. Kvantová nerozlíšiteľnosť navyše pridáva interferenciu ich identít, vďaka ktorej sa možnosti, že fotóny skončia osobitne v pravom a ľavom detektore, navzájom interferenčne vyrušia. Kvantový popis systému dvoch fotónov zabezpečuje, že ich nie je možné individuálne pomenovať, pretože nevedia udržať svoju identitu. Tvoria akoby jeden celok – dvojfotón. A to nielen vo výsledku, ale počas celej ich existencie. Citlivosť HOM na identickosť fotónov má využitie v extrapresných meraniach a je súčasťou realizácie logických operácií pre fotonické kvantové počítače.
Svetlozosilovač stimulovaný žiarením
V HOM pozorujeme tendenciu identických fotónov byť spolu a správať sa rovnako. Táto vlastnosť je kľúčová pre fungovanie lasera. Akýkoľvek zdroj svetla, ktorý máme, funguje na princípe, že z atómov zložená hmota sa zbavuje prebytočnej energie vo forme fotónov. V prípade žiarovky prechádzajúci prúd zohrieva atómy wolfrámového vlákna, ktoré sa spontánnou emisiou zbavujú tejto energie vo forme fotónov infračerveného,
viditeľného aj ultrafialového svetla. Ultrafialové fotóny zastaví sklený obal žiarovky a infračervené fotóny vnímame ako vyžarované teplo. Spontánna emisia produkuje jednotlivé fotóny v náhodných časoch a smeroch. Ich polarizácia a energia vnútorne súvisia s vlastnosťami atómov, ale vo výsledku majú vyžiarené fotóny náhodné vlastnosti a charakteristiky.
Laser využíva na produkciu fotónov jav stimulovanej emisie. Existujú situácie, keď k spontánnemu vyžiareniu fotónu môže prísť, ale neprichádza. Hovoríme o tzv. metastabilných stavoch atómov, v ktorých fotóny akoby predpripravené čakali na drobný impulz, aby sa vyžiarili. Ak príde tento impulz, tak nastane proces stimulovanej emisie. V prípade lasera tento stimul dodáva prítomnosť správne naladeného fotónu (žiarenia), ktorý sa nepohltí, ale jeho prítomnosť motivuje metastabilný atóm rovnaký fotón vyžiariť. Nastáva moment, v ktorom vyžiarený fotón preberie charakteristiky stimulujúceho fotónu a stanú sa nerozlíšiteľnými.
Princíp lasera – lavínová spontánna emisia zväzku identických fotónov
Cesta k laseru
Autor článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: www.wikipedia, www-ph.postech.ac.kr, www.pshk.org.hk, nap.nationalacademies.org.