Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Transkrypt

1 Optyka kwantowa wprowadzenie Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

2 Krótka (pre-)historia fotonu ( ) Własności światła i jego oddziaływania z materią, niedające się opisać w ramach fizyki klasycznej Promieniowanie równowagowe katastrofa w nadfiolecie Efekt fotoelektryczny Efekt Comptona

3 Promieniowanie równowagowe (termiczne) UV VISIBLE INFRARED K 12 Classical theory (5000 K) 10 katastrofa w nadfiolecie 8 6 Spectrum of Solar Radiation (Earth) 4000 K UV K Visible Wavelength (μm) 2 Infrared 2 Sunlight without atmospheric absorption 2 0 Irradiance (W/m /nm) S p e c tra l ra d ia n c e (k W s r ¹ m ² n m ¹) Rozkład widmowy promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne (np. gwiazdy) Ideal blackbody (5250 C) 1 Sunlight at sea level H2O 0.5 O H2O H2O O Atmospheric absorption bands H2O Wavelength (nm) 1750 CO H2O

4 Promieniowanie równowagowe (termiczne) Mody drgań pola (fale stojące) Fizyka klasyczna zasada ekwipartycji energii: na każdy mod gęstość widmowa (spektralna) energii: S p e c tra l ra d ia n c e (k W s r ¹ m ² n m ¹) Rozbieżność w obszarze krótkich fal (katastrofa w nadfiolecie) UV VISIBLE INFRARED K 12 Classical theory (5000 K) K 4 Planck (1900): 2 można dostać dobry wynik, 0 0 jeśli założyć, że energia przydzielana jest w porcjach (kwantach) K Wavelength (μm)

5 Zjawisko fotoelektryczne (zewnętrzne) światło (fotony) elektrony wybite z metalu Klasycznie: Energia przekazywana elektronom jest proporcjonalna do natężenia światła. Energia elektronów powinna rosnąć z natężeniem wiązki metal (np. sód) światło kolektor emiter Powinno wystąpić opóźnienie związane z czasem przekazywania energii elektronom

6 Zjawisko fotoelektryczne (zewnętrzne) światło (fotony) elektrony wybite z metalu Fotoprąd rosnące natężenie światła Vs metal (np. sód) Vext światło rosnąca częstość światła emiter Fotoprąd kolektor Vs Vext Nie występuje opóźnienie emisji elektronów

7 Zjawisko fotoelektryczne (zewnętrzne) Einstein 1905 (Nobel 1921): Załóżmy, że światło realnie składa się z kwantów energii (fotonów) o energii Nie ma emisji elektronów, jeżeli Eksperyment: Milikan 1914 evs metal 1 metal 2 metal 3 -Φ1 -Φ2 -Φ3 Uniwersalne nachylenie

8 Efekt Comptona pr ga om m ie m ni a ow an ie Kątowa zależność długości fali promieniowania rentgenowskiego rozproszonego na atomach Dirk Hünniger, GFDL stu, CC-BY-SA faculty.gvsu.edu

9 Efekt Comptona Arthur Compton 1923 (Nobel 1927): Kwanty światła mają nie tylko energię, ale też pęd (mają naturę cząsteczkową) Analiza zderzenia doskonale sprężystego z elektronem stu, CC-BY-SA faculty.gvsu.edu

10 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

11 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

12 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t

13 Detekcja pojedynczych fotonów Fotodioda V Tryb liniowy APD t Tryb zliczania pojedynczych fotonów (Geigera) V SPAD t Dyskretne zdarzenia detekcyjne fotony?

14 Interferencja pojedynczych fotonów x b Klasyczny eksperyment Younga interferencja na przesłonie z dwiema szczelinami d a c S1 S2 F Powstawanie wzoru interferencyjnego z wiązki o małym natężeniu Dyskretne zdarzenia detekcyjne fotony?

15 Dyskretne zdarzenia detekcyjne = fotony? Wyobraźmy sobie, że światło jest falą z E v x B y Detektor: układ kwantowy w oscylującym polu elektrycznym periodyczne zaburzenie stany końcowe przejście kwantowe stan początkowy Przejście kwantowe sygnał detekcji Złota reguła Fermiego: Przejścia w losowych chwilach czasu Kolejne przejście (po relaksacji) niezależne od poprzedniego Sygnał detekcji: Proces Poissona V t

16 Skąd wiemy, że istnieją fotony? Klasyczne światło (fala) o małym natężeniu generuje ciąg przejść kwantowych na detektorze. Dyskretne zdarzenia detekcyjne nie dowodzą ziarnistej (cząsteczkowej) natury światła. Dlaczego więc sądzimy, że fotony istnieją?

17 Skąd wiemy, że istnieją fotony? Klasyczne światło (fala) o małym natężeniu generuje ciąg przejść kwantowych na detektorze. Dyskretne zdarzenia detekcyjne nie dowodzą ziarnistej (cząsteczkowej) natury światła. Dlaczego więc sądzimy, że fotony istnieją? Definicja (metafizyczna): Foton istnieje, jeśli wskażemy fakty obserwacyjne, które są sprzeczne z modelem falowym, a dają się wyjaśnić przy założeniu cząsteczkowej natury światła.

18 Skąd wiemy, że istnieją fotony? Klasyczne światło (fala) o małym natężeniu generuje ciąg przejść kwantowych na detektorze. Dyskretne zdarzenia detekcyjne nie dowodzą ziarnistej (cząsteczkowej) natury światła. Dlaczego więc sądzimy, że fotony istnieją? Definicja (metafizyczna): Foton istnieje, jeśli wskażemy fakty obserwacyjne, które są sprzeczne z modelem falowym, a dają się wyjaśnić przy założeniu cząsteczkowej natury światła (model fotonowy). Statystyczne własności wiązek świata Statystyka zdarzeń detekcyjnych Statystyka korelacji optyka kwantowa

19 Optyka kwantowa Rozwój historyczny: Koncepcja fotonu ( ) Laser (1960): narzędzie umożliwiające generowanie nieklasycznych stanów światła i materii Nieklasyczne stany światła Szum sub-poissonowski pulse amplitude Anti-bunching Wölfl et al., J. Mod. Opt. 45, 1147 (1998) pulse area time Kwantowy opis oddziaływania światła z materią H. A. Gibbs, Phys. Rev. Lett. 29, 459 (1972); Phys. Rev. A 8, 446 (1973)