Zespół kierowany przez fizyka z City University of Hong Kong (CityU) niedawno opracował nową teorię kwantową, która wyjaśnia „fazę indukowaną światłem” materii i przewiduje jej nowe funkcje. Nowa teoria może zrewolucjonizować dziedzinę fotoniki kwantowej i kontroli kwantowej w temperaturze pokojowej. Otwiera również drzwi do różnych zastosowań opartych na świetle nowej generacji, takich jak komunikacja optyczna, obliczenia kwantowe i technologie zbierania światła.

Naukowcy odkryli egzotyczne fazy w materii, oprócz zwykłych faz, znanych jako fazy stałe, ciekłe i gazowe. A w różnych fazach, w których atomy podlegają pewnym układom w przestrzeni, materia może mieć różne właściwości. Jako jedna z kategorii nowo odkrytych faz, fazy indukowane światłem przyciągnęły wiele uwagi naukowców w ostatniej dekadzie, ponieważ uznano je za obiecującą platformę dla nowych paneli fotowoltaicznych i nowych platform chemicznych, a także nową drogę dla nowoczesnej technologii kwantowej.

„Ultraszybkie procesy cząsteczek fotoaktywnych, takie jak przenoszenie elektronów i redystrybucja energii, które zazwyczaj zachodzą w skali femtosekundowej (10^-15s) mają ogromne znaczenie dla urządzeń zbierających światło, konwersji energii i obliczeń kwantowych” – wyjaśnił dr Zhang Zhedong, adiunkt fizyki w CityU, który kierował badaniami. Odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego pod tytułem „Wielowymiarowa koherentna spektroskopia polarytonów molekularnych: podejście Langevina”.

„Jednak badania nad tymi procesami są pełne niejasności. Większość istniejących teorii związanych z fazami indukowanymi światłem jest ograniczona przez skale czasu i energii, a zatem nie może wyjaśnić przejściowych właściwości i ultraszybkich procesów cząsteczek, gdy w grę wchodzą krótkie impulsy laserowe” Narzucają one fundamentalne ograniczenia w badaniu faz materii indukowanych światłem” – powiedział dr Zhang.

Aby poradzić sobie z tymi trudnościami, dr Zhang i jego współpracownicy opracowali nową teorię kwantową dla sygnałów optycznych indukowanych światłem faz cząsteczek, która jest pierwszą na świecie. Nowa teoria, poprzez analizę matematyczną w połączeniu z symulacjami numerycznymi, wyjaśnia dynamikę stanu wzbudzonego i właściwości optyczne cząsteczek w czasie rzeczywistym, pokonując wąskie gardła wynikające z istniejących teorii i technik.

Nowa teoria integruje zaawansowaną elektrodynamikę kwantową z ultraszybką spektroskopią. Wykorzystuje nowoczesną algebrę do wyjaśnienia nieliniowej dynamiki cząsteczek, co stanowi podstawę do opracowania najnowocześniejszych zastosowań technologicznych dla laserów i charakteryzacji materiałów. W ten sposób oferuje nowe zasady wykrywania optycznego i metrologii kwantowej.

„Szczególnie fascynujące w naszej nowej teorii jest to, że kooperacyjny ruch skupiska cząsteczek wykazuje zachowanie podobne do fali, która rozprzestrzenia się na odległość. Nie było to możliwe w konwencjonalnych badaniach. A ten zbiorowy ruch może istnieć w temperaturze pokojowej, zamiast tylko w ultraniskiej, kriogenicznej temperaturze wcześniej. Oznacza to, że precyzyjna kontrola i wykrywanie ruchu cząstek może być wykonalne w temperaturze pokojowej. Może to otworzyć nowe granice badań, takie jak chemia zbiorowa, która może potencjalnie zrewolucjonizować badania nad fotochemią „, powiedział dr Zhang.

Nowa teoria kwantowa ułatwia projektowanie urządzeń zbierających i emitujących światło nowej generacji, a także działanie i wykrywanie lasera. Koherencja wynikająca z kooperatywności molekularnej indukowanej światłem może prowadzić do jasnej emisji światła. Zastosowane w badaniach sondy spektroskopowe indukowanej światłem fazy materii mogą pomóc w wykorzystaniu optycznych technik wykrywania nowej generacji i metrologii kwantowej.

Na większą skalę fazy indukowane światłem mogą umożliwić wiele nowatorskich interdyscyplinarnych zastosowań opartych na świetle, takich jak komunikacja optyczna, obrazowanie biologiczne, kontrola katalizy chemicznej i wyznaczanie urządzeń do zbierania światła w sposób energooszczędny.

W niedalekiej przyszłości naukowcy planują zbadać fazy indukowane światłem i ich wpływ na materiały kwantowe oraz opracować nowe techniki spektroskopowe i wykrywanie w kontekście splątania kwantowego.