Laboratornye_raboty_po_fome / 5 Одиночные фотоны / !Методические указания - Единичные фотоны

Марголин В.И., Скобелев В.Н., Тупик В.А., Фантиков В.С. Единичные фотоны. Опыты Аспекта. Методические указания к выполнению лабораторной работы. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012.

Содержит методические указания к выполнению лабораторной работы «Единичные фотоны. Опыты Аспекта.» по курсу «Физические основы микроэлектроники».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

вкачестве методических указаний

СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012

Введение

Знакомство с современной физикой, в отличие от физики классической, вызывает естественные трудности восприятия основных понятий и идей квантовой механики - этого совершенно нового способа описания состояния микрочастиц и динамических законов, управляющих их движением.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Основные понятия и определения

Принято считать, что свет распространяется в виде потока фотонов, что на протяжении уже более 200 лет подтверждается различными опытами и экспериментами. Вполне очевидно, что этих доказательств более чем достаточно для того, чтобы иметь достаточное представление о квантовых свойствах фотонов, но ряд таких явлений как поляризация, дифракция и интерференция показывают на то, что свет, наравне со свойствами частицы, также обладает и волновыми свойствами.

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 корпускулярноволнового 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:

(1)

где Р1 — экспериментально измеренная вероятность отклика первого детектора;

Р2 — то же для второго детектора; PC — 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 PC, 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 NС – 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 (см. рисунок 1.1).

Рис. 1.1 - 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 РМТ, в два других детектора, РМТt и РМТr, 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 РМТt и РМТr, 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 РМТt и РМТr 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.

2 ОПИСАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Начало работы с виртуальным лабораторным стендом осуществляется путём запуска файла Aspekt.exe. Главное окно программы, как показано на рисунке 2.1, имеет максимально простой и доступный интерфейс.

Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, студенту предлагается ознакомиться с методическими указаниями. Для этого в пункте главного меню «Информация» имеется пункт «Методические указания» (см. рисунок 2.2).

После ознакомления с теорией предлагается пройти тест, ответив на ряд вопросов по материалу лабораторного практикума. Тестирование происходит в режиме диалога с пользователем. Студенту необходимо выбрать один вариант ответа на поставленный вопрос. Для прохождения теста, необходимо правильно ответить минимум на 3 вопроса из 5. Если тест пройден успешно, студент приступает к выполнению лабораторной работы, изменяя количество частиц, участвующих в опыте, моделирует эксперимент.

Рис. 2.1. Главное окно программы.

Рис. 2.2. Главное меню программы, методические указания

Для удобства и простоты использования, методические указания запускаются в среде Microsoft Word. Программа никак не привязана к определённой версии офисного пакета, что делает её гибкой, позволяя пользоваться данной функцией на любом компьютере, с заранее установленным офисным пакетом.

Вслучае успешного выполнения теста, в нижнем правом углу окна тестирования появляется кнопка «Приступить к выполнению лабораторной работы».

Вокне выполнения лабораторной работы (см. рисунок 2.3) все элементы управления программой располагаются вместе, сгруппированные на специально отведённой панели, что значительно упрощает понимание принципа работы программы.

Рис 2.3 Окно выполнения лабораторной работы.