Астрономија

Шта је суперзрачење?

Шта је суперзрачење?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Шта је суперзрачење? Недавно сам наишао на овај термин (који се често користи за објашњавање брзих рафалних рафала). После мало гуглања, оно што схватам је: Када је неколико атома затворено на врло малом подручју и један од атома емитује фотон (спонтано и насумично), то утиче на све остале побуђене атоме у његовом суседству да ослободе вишак енергије на истог тренутка производећи интензиван блиц светлости. Затварање мале површине је такво да је површина мања од таласне дужине фотона.

У пулсарима или ФРБ-овима ово се назива и емисија антене / просторно скупљање. Истраживачи који раде на пулсарима можда добро знају овај феномен. Друга врста кохерентне радио емисије је синхротронска масер емисија.

Може ли неко мало више илустровати ову тему?


Дицке-ово суперзрачење и Фаст Радио Бурстс

Брзи рафални рафали (ФРБ) произлазе из екстрагалактичких извора и карактеришу их кратки (од десетина μс до неколико мс) и снажни рафални зраци откривени на радио фреквенцијама са пропусним опсезима који се често простиру на неколико стотина МХз. Али, упркос повећаним напорима посматрања усмереним на њихово откривање и карактеризацију окружења домаћина, природа ФРБ-а остаје недостижна. У овој презентацији разговараћу о примени Дицке-овог суперзрачења (СР) на проблем ФРБ, настојећи да узмем у обзир значајну количину података добијених на ФРБ 121102, једином таквом извору који је до сада био прецизно лоциран и чији је домаћин идентификован. Иако је до недавно био непримећен од астрофизичке заједнице, СР је био врло активно поље истраживања у заједници квантне оптике од његовог увођења РХ Дицке-а 1954. У овом излагању започет ћу давањем кратког описа физика која лежи у основи Дицке-овог СР и показују како би овај квантно-механички заплет могао да помогне у расветљавању природе ФРБ-а. Конкретно, показаћу како би млади пулсар смештен на ∼100 пц или више из СР / ФРБ система могао да покрене појаву снажног рафала који се детектује на космолошким даљинама.


Квантни ефекат суперзрачења откривен у малим дијамантима

У дијамантској решетки постоје посебне врсте дефеката, које се састоје од атома азота (бели) и атома угљеника који недостаје. Заслуге: Бечки технолошки универзитет

Под одређеним условима, атом може проузроковати да други атоми емитују бљесак светлости. У ТУ Виен (Беч), овај квантни ефекат је сада измерен.

Ефекат је теоретски предвиђен пре неколико деценија - али врло је тешко пружити експериментални доказ за њега: Суперзрачење је феномен да један атом одаје енергију у облику светлости и узрокује да велики број других атома у његовој непосредној близини емитује енергије истовремено. Ово ствара кратак, интензиван блиц светлости.

До сада се овај феномен могао проучавати само са слободним атомима (и уз употребу посебних симетрија). Сада је у ТУ Виен (Беч) мерено у солид-стате систему. Тим је користио атоме азота, уграђене у ситне дијаманте који се могу спојити са микроталасним зрачењем. Резултати су сада објављени у часопису Натуре Пхисицс.

Светао блиц квантне светлости

Према законима квантне физике, атоми могу бити у различитим стањима. "Када атом апсорбује енергију, пребацује се у такозвано побуђено стање. Када се врати у ниже енергетско стање, енергија се поново ослобађа у облику фотона. То се обично дешава случајно, у потпуно непредвидивим временским тачкама , “каже Јоханнес Мајер, вођа истраживачке групе на Институту за атомску и субатомску физику (ТУ Виен).

Међутим, ако се неколико атома налази близу један другог, може се десити занимљив квантни ефекат: један од атома емитује фотон (спонтано и насумично), утичући тако на све остале побуђене атоме у његовом суседству. Многи од њих истог тренутка ослобађају вишак енергије, производећи интензиван блиц квантне светлости. Ова појава се назива „суперзрачење“.

„Нажалост, овај ефекат се не може директно уочити код обичних атома“, каже Андреас Ангерер, први аутор студије. „Супер зрачење је могуће само ако све атоме поставите на подручје које је знатно мање од таласне дужине фотона.“ Дакле, морали бисте да фокусирате атоме на мање од 100 нанометара - и тада би интеракције између атома биле толико јаке да ефекат више не би био могућ.

Дефекти дијамантске решетке

Микроталасни резонатор са дијамантом у центру. Заслуге: Бечки технолошки универзитет

Једно од решења овог проблема је коришћење квантног система који су Мајер и његов тим годинама истраживали: сићушни дефекти уграђени у дијаманте. Док се обични дијаманти састоје од правилне мреже атома угљеника, дефекти решетке су намерно уграђени у дијаманте у Мајеровој лабораторији. У одређеним тачкама, уместо атома угљеника, постоји атом азота, а суседна тачка у дијамантској решетки је незаузета.

Ове посебне дијаманте са дефектима решетке направили су у Јапану Јуницхи Исоиа и његов тим са Универзитета у Тсукуби. Успели су да произведу највећу концентрацију ових жељених дефеката на свету без наношења било какве друге штете. Теоретску основу ефекта развили су Кае Немото (Национални институт за информатику) и Виллиам Мунро (НТТ Басиц Ресеарцх Лабораториес) у Токију, Јапан.

Баш као и обични атоми, и ови дијамантски дефекти могу се пребацити у побуђено стање - али то се постиже фотонима у микроталасном опсегу, са врло великом таласном дужином. „Наш систем има пресудну предност што можемо да радимо са електромагнетним зрачењем таласне дужине неколико центиметара - тако да није проблем концентрисати појединачна места дефекта у радијусу једне таласне дужине“, објашњава Андреас Ангерер.

Када се многи дијамантски дефекти пребаце у побуђено стање, обично могу проћи сати да се сви врате у стање ниже енергије. Због ефекта суперзрачења, међутим, то се дешава у року од око 100 наносекунди. Први фотон који се спонтано пошаље узрокује да и сва друга места са дефектима емитују фотоне.

Суперзрачење се заснива на истом основном принципу као и ласер - у оба случаја постоји стимулисана емисија фотона, покренута фотоном који удара у енергетски побуђене атоме. Ипак, то су два сасвим различита феномена: У ласеру је потребна трајна подлога многих фотона, који стално стимулишу нове атоме. У суперзрачењу, један фотон покреће блиц светлости сам од себе.

„У неком смислу, суперзрачење је занимљивији ефекат, са становишта квантне физике“, каже Јоханнес Мајер. "Данас се проучавају многи нови квантни ефекти, у којима заплетање многих честица игра важну улогу. Суперзрачење је једно од њих. Очекујем да ће ово довести до нечег новог, што бисмо у наредних неколико деценија могли назвати Куантум Тецхнологи 2.0 . "


Суперапсорпција временским преокретом суперзрачења

Више атома не само да може да апсорбује више светлости, већ ако су припремљени у одређеном квантном стању, то може и брже од појединачних атома. Сада су истраживачи експериментално показали овај временски обрнути процес суперзрачења.

Роберт Дицке је 1954. објавио свој револуционарни рад на кооперативној емисији који је поставио основу за оно што је постало ефект потписа у историји квантне оптике, познат као суперзрачење или суперфлуоресценција 1,2. Дике је показао да густа колекција атома може емитовати фотоне много брже од појединачних атома сама. У срцу суперзрачења су корелације између атома који поравнавају своје појединачне диполе у ​​датом смеру да би формирали џиновски диполни тренутак. Занимљиво је да такве корелације међу многим атомима не могу бити наметнуте споља само начином на који се ови атоми иницијално припремају, већ их могу и самоиндуцирати само процес распадања из побуђеног стања. Без обзира на порекло, међутим, колективно наручивање у Н. такви корелирани диполи им омогућавају да зраче појачаном брзином пропорционалном Н. 2, у поређењу са стопом пропорционалном Н. за ансамбл некорелираних атома. Ово „суперзрачење“ није само предмет бројних теоријских и експерименталних студија, већ је довело и до развоја нових концепата попут суперзрачног ласера ​​3 и нових ефикасних шема за проналажење фотона за квантне протоколе комуникације 4.


Суперзрачење: Квантни ефекат откривен у ситним дијамантима

Ефекат је теоретски предвиђен пре неколико деценија - али врло је тешко пружити експерименталне доказе за њега: „Суперзрачење“ је феномен да један атом одаје енергију у облику светлости и узрокује велики број других атома у својој непосредној близини. близина да истовремено емитује и енергију. Ово ствара кратак, интензиван блиц светлости.

До сада се овај феномен могао проучавати само са слободним атомима (и уз употребу посебних симетрија). Сада је у ТУ Виен (Беч) мерено у солид-стате систему. Тим је користио атоме азота, уграђене у ситне дијаманте који се могу спојити са микроталасним зрачењем. Резултати су сада објављени у часопису Натуре Пхисицс.

Светао блиц квантне светлости

Према законима квантне физике, атоми могу бити у различитим стањима. "Када атом апсорбује енергију, пребацује се у такозвано побуђено стање. Када се врати у ниже енергетско стање, енергија се поново ослобађа у облику фотона. То се обично дешава случајно, у потпуно непредвидивим временским тачкама , “каже Јоханес Мајер, вођа истраживачке групе на Институту за атомску и субатомску физику (ТУ Виен). Међутим, ако се неколико атома налази близу један другог, може се десити занимљив квантни ефекат: један од атома емитује фотон (спонтано и насумично), утичући тако на све остале побуђене атоме у његовом суседству. Многи од њих истог тренутка ослобађају вишак енергије, производећи интензиван блиц квантне светлости. Ова појава се назива „суперзрачење“.

„Нажалост, овај ефекат се не може директно уочити код обичних атома“, каже Андреас Ангерер, први аутор студије. „Супер зрачење је могуће само ако све атоме поставите на подручје које је знатно мање од таласне дужине фотона.“ Дакле, морали бисте да фокусирате атоме на мање од 100 нанометара - и тада би интеракције између атома биле толико јаке да ефекат више не би био могућ.

Дефекти дијамантске решетке

Једно од решења овог проблема је коришћење квантног система који су Мајер и његов тим годинама истраживали: сићушни дефекти уграђени у дијаманте. Док се обични дијаманти састоје од правилне мреже атома угљеника, дефекти решетке су намерно уграђени у дијаманте у Мајеровој лабораторији. У одређеним тачкама, уместо атома угљеника, постоји атом азота, а суседна тачка у дијамантској решетки је незаузета.

Ове посебне дијаманте са дефектима решетке направили су у Јапану Јуницхи Исоиа и његов тим са Универзитета у Тсукуби. Успели су да произведу највећу концентрацију ових жељених недостатака на свету без наношења било какве друге штете. Теоретску основу ефекта развили су Кае Немото (Национални институт за информатику) и Виллиам Мунро (НТТ Басиц Ресеарцх Лабораториес) у Токију, Јапан.

Баш као и обични атоми, ови дијамантски дефекти такође могу да се пребаце у побуђено стање - али то се постиже фотонима у микроталасном опсегу, са врло великом таласном дужином. „Наш систем има одлучујућу предност што можемо да радимо са електромагнетним зрачењем таласне дужине неколико центиметара - тако да није проблем концентрисати појединачна места дефекта у радијусу једне таласне дужине“, објашњава Андреас Ангерер.

Када се многи дијамантски дефекти пребаце у побуђено стање, обично могу проћи сати да се сви врате у стање ниже енергије. Због ефекта суперзрачења, међутим, то се дешава у року од око 100 наносекунди. Први фотон који се спонтано пошаље узрокује да и сва друга места са дефектима емитују фотоне.

Слично ласерима

Суперзрачење се заснива на истом основном принципу као и ласер - у оба случаја постоји стимулисана емисија фотона, покренута фотоном који удара у енергетски побуђене атоме. Ипак, то су два сасвим различита феномена: У ласеру је потребна трајна подлога многих фотона, који стално стимулишу нове атоме. У суперзрачењу, један фотон покреће блиц светлости сам од себе.

„У неком смислу, суперзрачење је занимљивији ефекат, са становишта квантне физике“, каже Јоханнес Мајер. "Данас се проучавају многи нови квантни ефекти, у којима преплитање многих честица игра важну улогу. Суперзрачење је једно од њих. Очекујем да ће ово довести до нечег новог, што бисмо у наредних неколико деценија могли назвати Куантум Тецхнологи 2.0 . "


Шта је суперзрачење? - Астрономија

Примењујемо концепт суперзрачења који је Дицке увео 1954. године на спектралну линију молекула ОХ молекуле 1612 МХз, која се често користи за откривање масера ​​у околасним омотачима еволуираних звезда. Будући да откривање ОХ мазера од 1612 МХз у спољним омотачима омотача ових звезда подразумева постојање инверзије популације и висок ниво кохеренције брзине, те да су то два неопходна захтева за суперзрачење, истражујемо да ли се суперзрачење такође може десити у ове регије. Суперзрачење карактеришу високоинтензивне, просторно компактне карактеристике налик на прскање које се одвијају у временским оквирима реда величине секунди и година, у зависности од величине и физичких услова присутних у регионима који садрже такве изворе зрачења. Наша анализа сугерише да суперзрачење пружа ваљано објашњење за претходна посматрања бљескова интензитета откривених у тој спектралној линији за звезду У Орионис Мира и предпланетарну маглину ИРАС 18276-1431.


АСЈЦ Сцопус предметна подручја

  • АПА
  • Стандард
  • Харвард
  • Ванцоувер
  • Аутор
  • БИБТЕКС
  • РИС

Резултат истраживања: Прилог часопису ›Чланак са конференције› рецензија

Т1 - Суперзрачење у транспорту кроз скуп двоструких квантних тачака

Н2 - Теоретски проучавамо транспорт кроз ансамбл двоструких квантних тачака (ДКД) произведених у микроталасној шупљини. ДКД-ови су повезани са заједничким пољем фотона спајањем константе λ, док фотони беже из шупљине брзином пх. Када је пх ≥ λ, емисија фотона из ДКД-ова ствара преплитање електрона у ДКД-има, што повећава брзину накнадне емисије (суперзрачења). Предлажемо транспортни експеримент за посматрање суперзрачења помоћу низа импулса напона.

АБ - Теоретски проучавамо транспорт кроз ансамбл двоструких квантних тачака (ДКД) произведених у микроталасној шупљини. ДКД-ови су повезани са заједничким пољем фотона спајањем константе λ, док фотони беже из шупљине брзином пх. Када је пх ≥ λ, емисија фотона из ДКД-ова ствара преплитање електрона у ДКД-има, што повећава брзину накнадне емисије (суперзрачење). Предлажемо транспортни експеримент за посматрање суперзрачења помоћу низа импулса напона.


Образовање

Дипломирао сам сумма цум лауде са западног универзитета 2017. године са почасном специјализацијом из физике и имао срећну прилику да учествује у живахним образовним искуствима попут астрономије на Тај. Моја диплома је била усредсређена на математику и физику, заједно са додатним курсевима из статистике, научног рачунарства, органске хемије и генетике.

Тренутно сам докторски кандидат из физике плазме на МИТ-у, специјализован за теорију плазме и фузиони инжењеринг, истовремено примењујући технике машинског учења у свом раду. Претходни пројекти током мојих дипломских студија крећу се од предложеног дизајна МХД генератора за концептуалну нуклеарну ракету до прегледа утицаја страха од зрачења који произилази из нуклеарне катастрофе Фукусхима Даиицхи. Моје садашње истраживање је првенствено усмерено на појаве рубне плазме покушавајући да разуме механизме који утичу на турбуленцију и стабилност фузионе плазме.


Суперзрачење ансамбла језгара побуђених ласером слободног електрона

На слици су приказане емисије фотона из 57 атома Фе. Графикон показује да се повећањем броја атома са 1 на 5 до 20 повећава време до прве емисије, док се енергија фотона повећава. Заслуга: РИКЕН

Сарадња научника из пет најнапреднијих светских извора рендгенских зрака у Европи, Јапану и САД, успела је да верификује основно предвиђање квантно-механичког понашања резонантних система. У студији објављеној у Натуре Пхисицс, могли су пажљиво да прате, један по један рендген, распад језгара у савршеном кристалу након побуде уз блиц рендгенских зрака из најјачег импулсног извора на свету, САЦЛА ласерског слободног електрона у Харими , Јапан. Приметили су драматично смањење времена потребног за емитовање првог рендгенског зрака како се повећавао број рендгенских зрака. Ово понашање се добро слаже са једном границом суперзрачног система, као што је предвидео Роберт Х. Дицке 1954. године.

Дике је предвидео да ће, на исти начин на који ће велика колекција звона деловати другачије од једног звона које се тапка, група атома емитовати светлост као одговор на побуду различитом брзином - бржом - од једног атома. Предвидео је стање „суперзрачења“, где, када се велики број фотона или кванта стави у систем са много атома, распад постаје много бржи него за један атом у изолацији. Узимајући аналогију са звонима, сугерисао је да ако имате велики број звона која узбуђујете заједно, она могу гласно да звоне, али звук се гаси много брже од нежног бледења једног звона. Његов приступ је обухватио квантне ефекте, предвиђајући да се најбржи распад догодио када је број кванта био упола мањи од броја атома.

Концепт суперзрачења је од тада верификован и заиста је камен темељац у пољу квантне оптике. Међутим, Дике је такође предвидео да ће доћи до врло јаке промене брзине распадања чак и када је број кванта у систему био много мањи од броја атома у систему. То је оно што је истражено у недавним експериментима у САЦЛА и Европском постројењу за синхротронско зрачење (ЕСРФ) у Француској.

а, Сцопе трагови детектора лавинске фото диоде (АПД) након једног импулса од 44 фотона и напада који се користе за анализу расподеле. б, Расподела мулти-фотонских догађаја измерених у АПД детекторима, у поређењу са моделом који укључује кохерентни извор са неколико режима (М = 2,2) и некохерентни извор (велика М граница). Заслуга: РИКЕН

Ново дело је заменило нискоенергијске кванте које је Дике предвидео високоенергетским рендгеном, омогућавајући истраживачима да прате пропадање система један по један квант - што значи један рендген. Међутим, добијање јаких импулса рендгенских зрака је много теже него код нискоенергетске светлости и потребно је коришћењем најсавременијих извора, електрона без ласерског зрачења. Ови извори постали су доступни тек недавно, а од ретких који делују у свету, само један, САЦЛА, у РИКЕН СПринг-8 центру у Јапану, постиже потребну високу енергију. Користећи овај извор, међународни тим истраживача из ЕСРФ-а у Француској, СПринг-8 у Јапану, ДЕСИ-а у Немачкој, АПС-а у САД-у и Курцхатов института у Русији, успео је да прецизно прати пропадање до 68 к- зрачни фотони. Они су посматрали убрзану емисију првог фотона која се одлично слаже са Дикеовим предвиђањем. Пропадање једног фотона под истим експерименталним условима проучавано је на ЕСРФ.

Према Алфреду Барону из РИКЕН-овог пролећног центра, „Кроз овај рад успели смо да покажемо да је Дицкеов рад тачан, а такође смо могли и да понудимо алтернативну слику својстава пропадања на основу статистичког приступа. бити драгоцена за разумевање будућег рада “.

Повећање почетне брзине распада за прелазе из Н у Н-1 побуђена стања откривено (а) убрзаним распадом првог од Н детектованих фотона, ПН 1 (т) (б) односима ПН 1 (т ) / П1 1 (т) ових података до распада једнофотонских П11 (т) (приказано у (ц)) и (д) процењеним брзинама убрзања (ПН 1 / П1 1) | т → 0. Пуне линије у (а, б) су прорачуни засновани на статистичком приступу. Пуна линија у (д) је прилагодба снаге. Заслуга: РИКЕН

Недавни напредак у оптичким студијама система кондензоване материје довео је до појаве низа феномена који су конвенционално проучавани у домену квантне оптике. Ове студије не само да су продубиле наше разумевање интеракција светлосне материје, већ су увеле и аспекте корелација многих тела својствених оптичким процесима у системима кондензоване материје. Овај рад се бави феноменом суперзрачења (СР), дубоким квантним оптичким поступком који је првобитно предвидео Дицке 1954. Основни концепт СР примењује се на општи систем Н тела, где се саставни осцилирајући диполи спајају интеракцијом са заједничком светлошћу поља и убрзати зрачење распада целог система. Отуда се појам СР свеприсутно појављује како би описао радијацијско спрезање произвољног броја осцилатора у многим ситуацијама модерне науке како класичног тако и квантног описа. У најфасцинантнијој манифестацији СР, познатој као суперфлуоресценција (СФ), некохерентно припремљени систем Н инвертованих атома спонтано развија макроскопску кохеренцију из флуктуација вакуума и производи одложени пулс кохерентне светлости чији је вршни интензитет ∝ Н 2. Такви СФ импулси су примећени у атомским и молекуларним гасовима и недвосмислено је демонстрирана њихова интригантна квантна природа. У овом прегледу фокусирамо се на брзо развијајуће се поље истраживања појава СР у чврстим супстанцама, где постоје не само фотонски посредовање (као у атомима) већ и јаке Кулонове интеракције и ултрабрзи поступци расејања. Описујемо СР и СФ у молекуларним центрима у чврстим телима, молекуларним агрегатима и кристалима, квантним тачкама и квантним јамама. Конкретно, резимираћемо низ студија које смо недавно извршили на полупроводничким квантним јамама у присуству јаког магнетног поља. У једној врсти експеримента, парови електронских рупа су несувисло припремљени, али се макроскопска поларизација спонтано појавила и заједнички се распадала, емитујући интензиван СФ рафал. У другој врсти експеримента, приметили смо СР распад кохерентне циклотронске резонанце 2Д електронских гасова ултрапокретљивости, што је довело до брзине распадања пропорционалне густини електрона. Ови резултати показују да кооперативни ефекти у чврстим системима нису само мале корекције које захтевају посматрање егзотичних услова, већ могу доминирати неравнотежном динамиком и процесима емисије светлости читавог система електрона у интеракцији.

© 2016 Оптичко друштво Америке

Н. Е. Нефедкин, Е. С. Андрианов, А. А. Зиабловски, А. А. Пукхов, А. П. Виноградов и А. А. Лисиански
Опт. изразити 25(3) 2790-2804 (2017)

В. Г. Бордо
Ј. Опт. Соц. Сам. Б. 38(7) 2104-2111 (2021)

Зенгху Цханг, Паул Б. Цоркум и Степхен Р. Леоне
Ј. Опт. Соц. Сам. Б. 33(6) 1081-1097 (2016)

Тим Сцхродер, Сара Л. Моурадиан, Јиабао Зхенг, Маттхев Е. Трусхеим, Мицхаел Валсх, Едвард Х. Цхен, Луозхоу Ли, Игал Баин и Дирк Енглунд
Ј. Опт. Соц. Сам. Б. 33(4) Б65-Б83 (2016)

Рицк Лител
Ј. Опт. Соц. Сам. Б. 33(12) Е66-Е82 (2016)

Референце

Немате приступ претплати на овај часопис. Цитатне листе са излазним везама за цитирање доступне су само претплатницима. Можете се претплатити или као члан ОСА или као овлашћени корисник ваше институције.

Обратите се библиотекару или администратору система
или
Пријавите се за приступ претплати на чланове ОСА

Навели

Немате приступ претплати на овај часопис. Цитиране везе доступне су само претплатницима. Можете се претплатити или као члан ОСА или као овлашћени корисник ваше институције.

Обратите се библиотекару или администратору система
или
Пријавите се за приступ претплати на чланове ОСА

Слике (26)

Немате приступ претплати на овај часопис. Датотеке слика доступне су само претплатницима. Можете се претплатити или као члан ОСА или као овлашћени корисник ваше институције.

Обратите се библиотекару или администратору система
или
Пријавите се за приступ претплати на чланове ОСА

Једначине (31)

Немате приступ претплати на овај часопис. Једначине су доступне само претплатницима. Можете се претплатити или као члан ОСА или као овлашћени корисник ваше институције.

Обратите се библиотекару или администратору система
или
Пријавите се за приступ претплати на чланове ОСА

Метрицс

Немате приступ претплати на овај часопис. Показатељи на нивоу чланка доступни су само претплатницима. Можете се претплатити или као члан ОСА или као овлашћени корисник ваше институције.

Обратите се библиотекару или администратору система
или
Пријавите се за приступ претплати на чланове ОСА