|
Свет подчиняется квантовым законам
|
|
|
|
Ранним утром 5 февраля 1980 года немецкий ученый Клаус фон Клитцинг заметил, что когда сильное магнитное поле прикладывается под прямым углом к электрическому току, напряжение создается в боковом направлении. Интересно, что это напряжение увеличивалось не плавно, а с очень определенными значениями. Фон Клитцинг только что экспериментально доказал квантовый эффект Холла (QHE) — полезную квантовую особенность, которая помогает ученым измерять магнитные поля с огромной точностью и определять уровни легирования материалов. Это открытие в конечном итоге принесло фон Клитцингу Нобелевскую премию по физике пять лет спустя.
|
|
|
|
Интересным аспектом плато напряжений фон Клитцинга является то, что они были фундаментальной константой, а это означает, что изменения в материале, форме или количестве дефектов не влияли на эти плоские области. Это связано с тем, что такое квантовое поведение было присуще двум фундаментальным свойствам Вселенной: постоянной Планка и заряду электрона. В результате такой фундаментальной природы квантовый эффект Холла стал чрезвычайно мощным инструментом в метрологии, науке об измерениях.
|
|
|
|
Хотя полезность этого квантованного эффекта Холла была очевидна сразу, ученые задались вопросом, не является ли это явление уникальным для электронов. В конце концов, электроны реагируют на присутствие электрических и магнитных полей, в то время как фотоны (например) не имеют электрического заряда, что означает, что они естественным образом не реагируют с этими полями. Однако новое исследование, проведенное международной группой ученых и опубликованное в журнале Physical Review X, впервые в истории детализирует наблюдение о том, что свет (то есть фотоны) на самом деле демонстрирует квантованный дрейф, а это означает, что квантовый эффект Холла распространяется не только на электроны.
|
|
|
|
|
|
|
“Свет перемещается квантованным образом, следуя универсальным законам, аналогичным тем, которые наблюдаются у электронов в сильных магнитных полях”, - сказал Филипп Сен-Жан, соавтор исследования из Монреальского университета, в заявлении для прессы. “Наблюдение за квантованным дрейфом света является исключительно сложной задачей, поскольку фотонные системы по своей природе не находятся в равновесии. В отличие от электронов, свет требует точного контроля, манипулирования и стабилизации”.
|
|
|
|
В ноябре 2018 года Генеральная конференция по мерам и весам проголосовала за официальное изменение определения килограмма на основе постоянной Планка (с использованием QHE), а не физического объекта, хранящегося в хранилище во Франции, как это делалось в течение 130 лет. Это означает, что лаборатории по всему миру могут выполнять калибровку с предельной точностью во время экспериментов.
|
|
|
|
“Сегодня килограмм определяется на основе фундаментальных констант с помощью электромеханического устройства, которое сравнивает электрический ток с массой”, - сказал Сен-Жан в заявлении для прессы. “Чтобы этот ток был идеально откалиброван, нам нужен универсальный стандарт электрического сопротивления. Плато квантового Холла дают нам именно это. Благодаря им все страны мира используют одинаковое определение массы, не полагаясь на физические артефакты.”
|
|
|
|
Такой точный уровень квантованного контроля освещенности не только открывает новые возможности в метрологии, но и может помочь в создании сверхточных датчиков (позволяя обнаруживать отклонения от идеального квантования) и совершенствовании фотонных квантовых систем.
|
|
|
|
Спустя более четырех десятилетий после знаменитого открытия фон Клитцинга квантовый эффект Холла все еще сохраняет способность удивлять.
|
|
|
|
Источник
|
