Физики уличили фотоны в подражании куперовским парам в сверхпроводниках

Физики уличили фотоны в подражании куперовским парам в сверхпроводниках

Из-за комбинационного рассеяния фотоны могут формировать пары, очень похожие на куперовские пары электронов в сверхпроводниках. Бразильские ученые предсказали и экспериментально исследовали этот эффект для восьми прозрачных сред. Их статья принята к публикации в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Низкотемпературную сверхпроводимость можно объяснить с помощью теории БКШ, в основе которой лежит понятие куперовской пары. Куперовская пара — это два электрона с противоположно направленными спинами и импульсами, связанные через обмен виртуальными фононами (квазичастицами, отвечающими колебаниям решетки) с ионами кристаллической решетки, что позволяет преодолеть кулоновское отталкивание. Подробнее о фононах и образовании куперовских пар можно прочитать в нашем материале «Зоопарк квазичастиц».

Когда свет распространяется в прозрачной среде, он тоже влияет на колебания составляющих ее частиц, но не с помощью фононов, а посредством комбинационного (неупругого) рассеяния. Например, в результате процесса Стокса фотон теряет часть своей энергии, испуская некоторую квазичастицу, и смещается в сторону красного спектра. В результате обратного процесса (анти-Стокса) фотон поглощает такую квазичастицу и смещается в сторону синего спектра. В принципе, эти два процесса могут совместиться, и фотоны обменяются виртуальной квазичастицей, что будет отвечать некоторому эффективному взаимодействию, аналогичному взаимодействию в куперовской паре. Это означает, что в средах с большими энергиями колебаний составляющих их частиц могут возникать фотонные аналоги куперовских пар.

В данной статье физики разработали теоретическую модель явления. Для этого они заново вывели гамильтониан теории БКШ, исходя из того, что взаимодействующие частицы являются бозонами, а не фермионами. Оказалось, что в разработанной ими теории существует энергетический зазор, аналогичный зазору в теории БКШ, и он зависит от интенсивности лазера и энергии виртуальных частиц. Когда энергия виртуальных частиц меньше, чем энергия фотонов, энергия взаимодействия фотонов оказывается меньше нуля, поэтому им выгодно притягиваться и образовывать пару.

Образование фотонных пар можно заметить в эксперименте, поскольку из-за него должно меняться число фотонов, участвующих в процессах Стокса и анти-Стокса. Для этого нужно посмотреть, как скоррелированы числа участвующих в таких процессах фотонов. Согласно теоретическим предсказаниям авторов статьи, при образовании связанных пар фотонов максимум функции корреляции должен смещаться в сторону меньших длин волн, причем эффект будет заметен тем лучше, чем больше пар образуется.

И действительно, для фотонов, распространяющихся в дистиллированной воде, авторы статьи экспериментально обнаружили такой сдвиг. Для зависимости корреляционной функции, полученной ими с помощью лазеров, излучающих с мощностью 20 и 40 милливатт, пик сместился с 3500 сантиметров на 2400 сантиметров. Это смещение как раз отвечает диапазону, в котором колебания молекулы воды возбудить сложнее, то есть в котором пары связанных фотонов образуются проще всего.

Кроме того, ученые экспериментально проверили предсказанный ими эффект для еще семи прозрачных сред, среди которых были не только жидкости, но и кристаллические тела. Во всех этих средах наблюдались похожие закономерности, но иногда менее ярко выраженные.

Пока не очень понятно, какие практические приложения может иметь открытый авторами статьи эффект. Возможно, предложенным ими способом удастся объяснить эффект погашения дисперсии (dispersion cancellation) или изменение прозрачности некоторых сред при освещении лазером.

Ранее мы писали о том, как ученые получили куперовские пары электронов, не создавая в проводнике сверхпроводимости самой по себе. Также другим физикам удалось увидеть триплетные куперовские пары на границе сверхпроводника и ферромагнетика.

Дмитрий Трунин

N+1

Похожие новости:
Светодиоды научились излучать запутанный свет
Физики из Университета Торонто разработали схему работы светодиодов, которые за счет дополнительного сверхпроводящего слоя излучают запутанные фотоны. Работа опубликована в журнале Physical Review B, ее препринт можно найти в arxiv.org, кратко содержание статьи приводится на сайте университета. Обычные ..
2014-03-21 1031 0 Технология
0
Ученые создали свет из вакуума
Ученым из Технического университета Чалмерса (Швеция) удалось создать свет из вакуума. Существование этого эффекта было предсказано более 40 лет назад. Полученные результаты будут опубликованы в журнале Nature. В ходе эксперимента, ученым удалось захватить фотоны, которые беспрерывно ..
2011-11-21 1710 0 Технология
0
Физики научились получать 99-процентный спирт с помощью лазера
Американские ученые продемонстрировали новый способ дистилляции спирта — с помощью света. Он требует меньше энергии, чем дистилляция с помощью нагрева, и дает спирт большей крепости (до 99 процентов). Об этом сообщается в журнале ACS Nano, а коротко о новом методе рассказывает Scientific American.Наоми ..
2015-11-28 6892 0 Технология
0
Новый метод повысит мощность солнечных батарей
Команда исследователей из Имперского колледжа в Лондоне обнаружила, что если разместить множество цилиндрических алюминиевых шипов на вершине солнечных батарей, то это может значительно повысить количество света, которое будет захватываться поглощающем слоем солнечных батарей, что повысит их мощность больше ..
2013-10-24 1670 0 Технология
1
Графен помог физикам смешать фотоны
Физики создали преобразователь света на основе графена.Статья ученых появилась в Nature Photonics. Основой для нового устройства стал фотонный кристалл. Этим термином в физике называется среда, которая характеризуется периодическим изменением показателя преломления. Такую среду можно получить, ..
2012-07-16 820 0 Технология
0
Ученые: данные будут передавать на одном фотоне
Исследовательская группа из Университета Альберты работает над инновационной технологией оптической передачи информации с помощью одного фотона.Сегодня передача информации, например текста, аудио или видео, может осуществляться с помощью лазерного луча, который отправляет миллиарды фотонов по волоконно-оптическому кабелю. ..
2011-11-6 1508 0 Технология
0
Дефектный алмаз превратили в источник отдельных фотонов
Японские и европейские физики создали источник единичных фотонов на основе дефекта в алмазе, работающий при комнатной температуре. Статья ученых появилась в журнале Nature Photonics. В рамках работы рассматривались особые дефекты, именуемые NV-центрами, или азотно-замещенными вакансиями в алмазе. Это класс так называемых точечных дефектов, состоящих ..
2012-04-16 1300 0 Технология
0
Новое устройство позволит свету двигаться бесконечно
Ученых из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме и из Пенсильванского университета объявили о том, что им удалось сделать наноразмерное устройство, позволяющее свету двигаться с бесконечно большой скоростью. Что же это значит? Всем известно, что скорость света в вакууме является постоянной величиной и составляет ..
2012-11-12 1193 0 Технология
0
Физики создали первый универсальный квантовый вентиль
Физики из университетов Гриффита и Квинсленда впервые создали рабочий прототип квантового вентиля Фредкина. Устройство меняет местами состояния двух кубитов в зависимости от состояния третьего, управляющего кубита. С помощью комбинаций из одного или нескольких таких вентилей можно выполнить любую ..
2016-03-28 1354 0 Технология
0
Физики уместили 10 бит в одном фотоне
Физики из нидерландского Университета Твента побили рекорд записи информации в одиночных фотонах, поместив в единичный квант света свыше 10 бит данных. Новый результат, по словам авторов, позволит значительно улучшить существующие методики квантовой криптографии — в современных устройствах фотон ..
2016-09-28 17717 0 Технология
0
Новый способ повысит эффективность солнечных батарей
Исследователи из института телекоммуникаций Фраунгофера разработали систему, которая позволяет солнечным элементам эффективно собирать энергию от инфракрасного спектра. Новая технология,которая обещает хорошую работоспособность с коммерческими солнечными батареями существующими сейчас в продаже и в будущем имеет потенциал стать ..
2012-10-13 1879 0 Технология
0
Физики научились «гравировать» электрические цепи в кристаллах
Ученые из Университета штата Вашингтон научились с помощью лазерного луча создавать электрические цепи в кристалле титаната стронция. В этом им помог эффект устойчивой фотопроводимости, при которой сопротивление материала падает в сотни раз при облучении светом и остается низким в течение долгого времени. Получившиеся электропроводные цепи в металле ..
2017-08-02 15625 0 Технология
0
Графен может усиливать энергию света
Ученые их испанского Института фотоники и Массачусетского технологического института (США) обнаружили, что графен при поглощении одиночного фотона преобразует его сразу в несколько электронов. В большинстве материалов при поглощении одного фотона вырабатывается лишь один электрон. Графен, следовательно, способен стать ..
2013-03-1 1269 0 Технология
0
Китайские термоядерщики получили рекордную температуру
Физики в Китае на термоядерном реакторе Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) получили рекордную для аналогичных установок температуру в 49,99 миллиона градусов по Цельсию. Об этом сообщает издание South China Morning Post.Полученная водородная плазма в EAST в три раза горячее ..
2016-02-05 1245 0 Технология
1
Новый светодиод преобразовывает электричество в свет с КПД в 230%
Физики из Массачусетского технологического института (МТИ), разработали светоизлучающий диод, электрический КПД которого превышает 100 процентов. У вас может возникнуть вопрос, не является ли  это нарушением первого начала термодинамики. Ответ, к счастью, нет. Светодиод выдает 69 пиковатт света, используя 30 пиковатт энергии, ..
2012-03-12 2637 1 Технология
0