Лабораторные / лаб1

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра радиотехнических систем

Лабораторная работа №1

по дисциплине «Физические основы микро и наноэлектроники»

Тема: «Одиночные фотоны»

Студент гр. 8182		Смаев Д.А.
Руководитель доцент каф. МИТ		Мельник В.И.

Санкт-Петербург

2019

1. Цель работы.

Целью данной работы является ознакомление с понятием единичных фотонов, методикой их получения и ознакомление с опытом, доказывающим корпускулярно-волновую природу фотонов.

2. Краткие теоретические положения.

Принцип корпускулярно волнового-дуализма у фотонов был доказан таким явлением как фотоэффект: некоторые вещества под действием света начинают излучать энергию. Однако, в 1969 году было доказано, что фотоэлектрический эффект может быть доказан без использования концепции фотонов. Таким образом, для подтверждения корпускулярно-волнового дуализма фотонов, был поставлен целый ряд экспериментов.

Одним из таких экспериментов является опыт Ханбери-Брауна и Твисса, который смог показать, что фотон неделим и не может находиться в двух местах одновременно. Метод заключается в том, чтобы поместить два детектора на удалении друг от друга, осветить их одним источником света и проверить, будут ли они срабатывать одновременно. Если корпускулярная гипотеза верна, этого не должно происходить.

Экспериментальное оборудование, требуемое для такого эксперимента, очень простое: источник света, полупрозрачное зеркало и два детектора. Свет падает на полупрозрачное зеркало, которое действует как делитель луча. Если интенсивность падающего света равна I, то за зеркалом каждый из детекторов регистрирует интенсивность I/2. В то время как в среднем это всегда верно, мы сможем исследовать ситуацию подробнее, если проследим за временной зависимостью откликов двух детекторов на свет, падающий на них.

Результаты этого эксперимента удобно анализировать с помощью так называемого антикорреляционного параметра А:

где Р₁ — экспериментально измеренная вероятность отклика первого детектора;

Р₂ — то же для второго детектора;

P_C — вероятность совпадений.

Величина А обладает несколькими свойствами, которые делают ее особенно полезной в данной ситуации. С одной стороны, если свет состоит из фотонов, два детектора никогда не должны срабатывать вместе, поэтому P_C, а значит и А должны быть равны нулю. Если, с другой стороны, свет не имеет корпускулярных свойств, детекторы вполне могут срабатывать одновременно, и А может иметь ненулевое значение. Если детекторы будут срабатывать случайным образом и независимо друг от друга, то легко показать, что А будет равно единице. Если измеренное значение А будет больше единицы, то два детектора срабатывают одновременно чаще, чем позволяло бы чисто случайное поведение.

Таким образом, антикорреляционный параметр, выраженный в экспе­риментально измеримых величинах, равен:

(2)

где N_С – число одновременных срабатываний двух детекторов;

N₁ и N₂ – число срабатываний от первого и второго детектора соответственно;

T – время эксперимента;

– разрешающая способность приборов по времени.

Результат эксперимента был удивителен. Он не только не смог продемонстрировать существование фотонов и их неделимость, он фактически показал, что, кажется, свет распространяется в пространстве волновыми импульсами: можно разделить импульс пополам, и обе половины прибудут в фотодетекторы в одно и то же время. Сложность с этими экспериментами заключается в характере использованных источников света

В качестве источника фотонов Ханбери-Браун и Твисс использовали ртутную лампу, миллионы фотонов рождались ежесекундно. Перемешиваясь с фотонами фонового излучения, опыт не давал чёткого представления проиходящего. Но позже, с появлением лазера, опыт был повторён учёными Аспектом, Грэнджером и Роджером.

Во избежание ошибок прошлого эксперимента, учёные решили повторить опыт с использованием единичных фотонов. Метод, приведший их к успеху, состоял в том, чтобы переводить атомы кальция в состояние, при релаксации из которого излучается два фотона вместо одного. Первый из этих фотонов был их меткой, а над вторым проводился антикорреляционный эксперимент.

Атом кальция после перехода в возбужденное s-состояние быстро возвращался к основному состоянию, проходя через промежуточное p-состояние. Таким образом, излучалось два фотона разной частоты за короткий промежуток времени.

Источник единичных фотонов, использовавшийся в успешных экспериментах по антисовпадению Аспекта. а) Атом калия под действием лазера переходил в возбужденное s-состояние. При релаксации он переходил сначала на промежуточный p-уровень, излучая первый фотон V1, а затем на основной s-уровень с испусканием второго фотона V2:это тот фотон, с которым проводился эксперимент по антисовпадению.

Первый из этих фотонов сразу улавливался фотоумножителем РМТ₁ а второй, как и раньше, попадал на полупрозрачное зеркало (см. рисунок 1.2). При детектировании первого фотона в РМТ₁, в два других детектора, РМТ_t и РМТ_r, поступал сигнал, предупреждавший о появлении второго фотона. Эти детекторы были готовы к срабатыванию через короткий промежуток времени после регистрации первого фотона. С помощью такой доработки эксперимента Аспект и др. смогли отсекать случайные попадания света на РМТ_t и РМТ_r, и регистрировать срабатывание только от единичных фотонов.

Рис. 1.2. Схема эксперимента по антисовпадению Аспекта, Грэнджера и Роджера. Попадение первого фотона, испущенного атомом и служащего в качестве триггера, в детектор РМТ₁ даёт сигнал двум другим детекторам РМТ_t и РМТ_r быть готовыми принять второй фотон в течение короткого промежутка времени w.

В результате проведённого опыта, можно было с уверенностью заявить, что фотоны не только существуют, но и способны проявлять как корпускулярные свойства, показанные в этом опыте, так и волновые, доказанные такими явлениями как дифракция и интерференция.

Обработка результатов.

В данной лабораторной работе был смоделирован эксперимент Аспекта, который показывает корпускулярные свойства света. По нему, атом кальция переводится в возбуждённое состояние, после чего, постепенно переходя сначала на уровень p, излучал исследуемый фотон, а полностью релаксируя, излучал фотон-триггер, который предупреждал датчики о появлении исследуемого фотона. Задавая различные значения количества частиц, которые испускаются источником фотонов, получаем значения количества частиц в регистраторах I и K.

	1	2	3	4	5
Общее количество исследуемых частиц	129	204	374	178	292
Частицы в регистраторе I	68	118	209	96	160
Частицы в регистраторе K	61	86	165	82

Из полученных результатов видно, что сумма количества частиц в регистраторе I и в регистраторе K равна количеству частиц испускаемых источником фотонов. Это доказывает неделимость фотона.

Вывод.

Таким образом, опыт Аспекта констатирует неделимость фотона, а, следовательно, фотоны не только существуют, но и способны проявлять как корпускулярные свойства, показанные в этом опыте, так и волновые, доказанные такими явлениями как дифракция и интерференция.