Как фотон встретил фонон и что из этого получилось.

Сегодняшняя статья открывает новую большую тему под названием "Оптомеханика". Эта область современной физики исследует взаимодействие между электромагнитным излучением и механическим движением на микромасштабе. Возникла она совсем недавно и в данный момент стремительно развивается, находя применение в самых неожиданных приложениях. Но, обо всем по порядку.

Начнем с электромагнитного излучения. Как вы наверняка помните, известный немецкий физик Макс Планк открыл в начале 20 века его дискретную природу, занимаясь вопросом теплового излучения нагретых тел. Он выяснил, что электромагнитные волны излучаются не непрерывно, а порциями - "квантами". Позже эту идею развил Эйнштейн при объяснении фотоэффекта, а единицу квантования назвали "постоянной Планка" (и обозначили буквой h).

Чтобы помнили: постоянная Планка.

Чтобы помнили - постоянная Планка. Теперь с ней даже футболки выпускают.

Этот самый квант электромагнитного излучения физики "обозвали" фотоном и стали пользоваться ей наряду с другими частицами - электроном, протоном, нейтроном и т.д. Всем это пришлось по вкусу и в дальнейшем появилось много таких "виртуальных" частиц, обозначавшим квант какого-либо поля, которым физики давали самые разнообразные названия - гравитоны, поляритоны, экситоны, фононы и прочие. Про них все мы расскажем как-нибудь в другой раз, а сейчас займемся фононами.

Давайте вспомним, как мы обычно представляем себе твердое тело (кристаллическое) на микромасштабе. Атомы и молекулы, выстроенные в определенном порядке, который часто называют кристаллической решеткой или кристаллической структурой вещества. Примеры таких структур можно увидеть на картинке ниже. Фонон же, по-простому, это квант механического колебания кристаллической решетки в твердом теле.

Примеры кристаллических решеток. Источник: 900igr.netkartinkikhimijaKristallicheskie-i-amorfnye-tela006-Kristallicheskaja-reshetka.html

Примеры кристаллических решеток. Источник: 900igr.netkartinkikhimijaKristallicheskie-i-amorfnye-tela006-Kristallicheskaja-reshetka.html

Как-то сложно получилось. Попробуем еще раз. Представьте себе атом в узле кристаллической решетке, который почему-то сместился из своего положения равновесия. При этом изменились силы, действующие со стороны этого атома на его соседей по решетке, поэтому они тоже вынуждены начать двигаться, воздействуя, в свою очередь, на своих соседей и распространяя возбуждение дальше. Мельчайшая неделимая порция такого механического возбуждения и называется фононом. Кстати говоря, понятие фонона было впервые предложено советским физиком Игорем Таммом в 1932 году.

Что же мы имеем в итоге? Две частицы - фотон и фонон, которые с точки зрения квантовой механики очень похожи между собой - это всего лишь кванты возбуждений, которые имеют разную природу, но описываются одинаковыми формулами. Более того, фотоны и фононы могут взаимодействовать между собой и порождать друг друга. Здесь и берет начало "оптомеханика", изучающая системы, в которых фотоны и фононы взаимодействуют на квантовом уровне. Разберемся чуть подробнее, как именно это происходит.

Комета, облетающая вокруг Солнца. Источник: astronom-us.rufizprirodakomety-ih-dvizhenie-i-priroda.html

Комета, облетающая вокруг Солнца. Источник: astronom-us.rufizprirodakomety-ih-dvizhenie-i-priroda.html

Еще в 17 веке знаменитый Иоганн Кеплер заметил, что хвост кометы всегда направлен от Солнца, из чего он сделал правильный вывод о наличии у света импульса. Экспериментально это было подтверждено только в начале 20 века, благодаря искусной работе Петра Николаевича Лебедева, а чуть позже, в 30-х годах 20 века, были успешно поставлены эксперименты по передаче импульса фотонов атомам и даже макроскопическим телам.

Работы второй половины 20 века сосредоточились на изучение концептуально простой системы, пример которой показан на картинке ниже. На ней представлено полупрозрачное зеркало, через которое могут проникать фотоны, и непрозрачное зеркало, закрепленное на механической пружине, которому фотоны могут передавать свой импульс. Посмотрев на эту систему с другой стороны, можно увидеть два "связанных" осциллятора - оптический (фотоны, летающие между зеркалами - так называемый резонатор Фабри-Перо) и механический (зеркало на пружинке).

Пример оптомеханической систеы. Изображение: C Baker

Пример стандартной оптомеханической системы. Изображение: C Baker

 

Такие системы горячо любимы теоретиками и отлично описываются, как с классической, так и с квантовой точки зрения, а экспериментальное их исследование началось в 60-70-х годах 20 века в Советском Союзе на физическом факультете МГУ. Две пионерские работы использовали вместо оптических резонаторов микроволновые, где стоячая волна из микроволновых фотонов формировалась в металлической полости (схема этого эксперимента показана ниже), а первый эксперимент с оптическими фотонами был поставлен в 1983 году. Эти работы показали возможность ослаблять или усиливать механические колебания системы с помощью радиационного давления фотонов.

Схема пионерского эксперимента. Источник: hbar.phys.msu.ruarticles70a1BrMaTi.pdf

Схема пионерского эксперимента. Источник: hbar.phys.msu.ruarticles70a1BrMaTi.pdf

 

На этом мы заканчиваем нашу первую статью про оптомеханику, которая, надеемся, послужит вам неплохим введением в тему! В следующей статье мы проведем теоретический разбор оптомеханической системы (да-да, будут формулы!), а потом расскажем вам про гигантский скачок, произошедший в этой области за первое десятилетие 21 века благодаря технологиям микро- и нано-фабрикации.

P.S. Не забывайте вступать в наше сообщество и делиться интересностями с друзьями! 😉