Valoisa läpimurto kvanttifotoniikassa

Fysiikassa 1800-luvun lopulla löydetty klassinen Hall-ilmiö kuvaa, kuinka poikittainen jännite syntyy, kun sähkövirta altistetaan kohtisuoralle magneettikentälle. Syntyvää jännite-eroa on käytetty vuosikymmenten ajan diagnostiikkatyökaluna magneettikenttien mittaamiseen tarkasti ja materiaalien dopingtasojen karakterisointiin.

1980-luvulla erittäin matalissa lämpötiloissa erittäin ohuilla johteilla tehdyt kokeet paljastivat, että voimakkaiden magneettikenttien alla tämä jännite-ero ei kasva suorassa linjassa, vaan täysin määritellyissä vaiheissa.

Nämä tasangot ovat universaaleja, riippumattomia materiaalin koostumuksesta, muodosta tai mikroskooppisista virheistä. Ne perustuvat yksinomaan maailmankaikkeuden perusvakioihin: elektronin varaukseen ja Planckin vakioon.

Tämä tunnetaan kvantti-Hall-ilmiönä, ja löytö oli niin tärkeä, että se johti kolmeen Nobel-palkintoon fysiikassa.

Tähän asti kvantti-Hall-ilmiötä on havaittu pääasiassa elektroneilla, joiden sähkövaraus tekee niistä herkkiä sähkö- ja magneettikentille.

Fotonit, valon hiukkaset, ovat sähköisesti neutraaleja ja siten immuuneja näille voimille. Joten kvantti-Hall-ilmiön replikointi valolla on ollut siksi suuri haaste.

Mahdottoman saavuttaminen

Nyt kansainvälinen tutkimusryhmä on saavuttanut aiemmin mahdottoman: he ovat havainneet valon kvantisoituneen poikittaisen ajautumisen.

Valo liikkuu kvantisoidusti noudattaen universaaleja vaiheita, jotka ovat analogisia voimakkaiden magneettikenttien alla olevien elektronien kanssa nähdyille vaiheille”, selitti tutkimuksen toinen kirjoittaja, fysiikan professori Philippe St-Jean Montrealin yliopistosta.

Tämän löydön vaikutukset ovat valtavat, hän lisäsi. Esimerkiksi metrologiassa – tarkkuusmittausten tieteessä – optisista järjestelmistä voisi tulla yleismaailmallinen kultastandardi, joka joko täydentäisi tai korvaisi elektroniset järjestelmät, hän uskoo.

”Nykyään kilogramma määritellään perusvakioiden perusteella käyttämällä sähkömekaanista laitetta, joka vertaa sähkövirtaa massaan”, St-Jean selitti. ”Jotta tämä virta olisi täydellisesti kalibroitu, tarvitsemme yleismaailmallisen sähkövastuksen standardin. Juuri tämän kvantti-Hall tasangot antavat meille. Niiden ansiosta jokaisella maailman maalla on identtinen massan määritelmä ilman, että turvaudutaan fyysisiin esineisiin."

St-Jean uskoo, että valon virtauksen kvantisoitu hallinta voisi avata uusia horisontteja paitsi metrologiassa myös sen ulkopuolella, esimerkiksi kvantti-informaation käsittelyssä, ja se voisi jopa tasoittaa tietä kestävämmille kvanttifotonisille tietokoneille.

Kääntäen, pieni poikkeama tästä täydellisestä kvantisoinnista voi viestiä tietyistä ympäristöhäiriöistä, mikä mahdollistaa poikkeuksellisen tarkkojen antureiden kehittämisen.

Aiheesta aiemmin:

Resistanssin kalibrointi mikrosirun memristorilla

Kvantti-ilmiöitä kaksiulotteisessa grafeenissa

Kvantti spin Hall -ilmiö valossa