World

วิธีที่ง่ายมากในการทำนายปฏิสัมพันธ์ของสสารควอนตัมของแสง

การอธิบายปฏิสัมพันธ์ของสสารแสงเชิงปริมาณอาจเป็นงานที่ยุ่งยากซึ่งต้องใช้หน่วยการสร้างจำนวนมากเพื่อรวมกันอย่างถูกต้อง เช่นเดียวกับการสร้างประตูเบอร์ลินจากหินแต่ละก้อน (ขวา) เชฟเฟอร์และคณะ พบวิธีใหม่ในการก่อร่างสมการที่อธิบายเรื่องนี้เพื่อให้พวกเขาคำนึงถึงแสงควอนตัมส่วนใหญ่ คล้ายกับการแกะสลักประตูเบอร์ลินจากหินแต่ละก้อนแทนที่จะสร้างบล็อกทีละบล็อก เครดิต: Joerg Harms / MPSD เมื่อแสงโต้ตอบกับสสาร ตัวอย่างเช่น เมื่อลำแสงเลเซอร์กระทบกับวัสดุสองมิติ เช่น กราฟีน ก็สามารถเปลี่ยนพฤติกรรมของวัสดุได้อย่างมาก ขึ้นอยู่กับรูปแบบของปฏิกิริยาระหว่างแสงและสสาร ปฏิกิริยาเคมีบางอย่างปรากฏแตกต่างกัน สารจะเปลี่ยนเป็นแม่เหล็กหรือเฟอร์โรอิเล็กทริก หรือเริ่มนำไฟฟ้าโดยไม่สูญเสียใดๆ ในกรณีที่น่าตื่นเต้นเป็นพิเศษ แหล่งกำเนิดแสงจริงอาจไม่จำเป็นด้วยซ้ำไป เนื่องจากความเป็นไปได้เพียงอย่างเดียวที่แสงจะมีอยู่ กล่าวคือ โฟตอนที่เทียบเท่ากับควอนตัม สามารถเปลี่ยนพฤติกรรมของสสารได้ นักวิทยาศาสตร์เชิงทฤษฎีพยายามอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ที่น่าสนใจเหล่านี้ เนื่องจากอาจมีความสำคัญต่อการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ อย่างไรก็ตาม การคำนวณการโต้ตอบของสสารแสงควอนตัมไม่เพียงแต่กินเวลาและพลังประมวลผลจำนวนมหาศาลเท่านั้น แต่ยังกลายเป็นเรื่องยุ่งยากอีกด้วย การอธิบายปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างวัสดุที่เหมือนจริงกับโฟตอนนั้นสิ้นเปลืองเงินหลายพันยูโรอย่างง่ายดาย ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์จากแผนกทฤษฎีของ Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) ในฮัมบูร์กได้ค้นพบวิธีที่จะทำให้การคำนวณเหล่านี้ง่ายขึ้น งานของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ใน PNAS เป็นขั้นตอนสำคัญในการรวมธรรมชาติของควอนตัมของแสงเข้ากับอุปกรณ์สมัยใหม่ “ลองนึกภาพว่าคุณได้รับอิฐก่อสร้างจำนวนหนึ่งเพื่อสร้างแบบจำลองของประตูเบอร์ลินอันโด่งดัง” คริสเตียน เชฟเฟอร์ หัวหน้าทีมวิจัยกล่าว “โดยสัญชาตญาณเราเริ่มวางหินทับกันเพื่อให้คล้ายกับรูปร่างของประตู แต่ด้วยหินแต่ละก้อนการก่อสร้างจะไม่เสถียรและมีราคาแพงขึ้น ในทำนองเดียวกันเพราะบางครั้งเราต้องพิจารณาโฟตอนหลายร้อยตัว การคำนวณของเราสามารถ ซับซ้อนอย่างท่วมท้นและต้นทุนของการทำนายตามทฤษฎีของเราก็หมุนวนอย่างรวดเร็ว อันที่จริง ค่าใช้จ่ายนี้เป็นสิ่งที่ห้ามปรามจนการทำนายการโต้ตอบอย่างเต็มรูปแบบระหว่างโฟตอนจำนวนมากและโมเลกุลที่เหมือนจริงนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะคำนวณแม้แต่ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีอยู่เร็วและใหญ่ที่สุดที่มีอยู่ .” ตอนนี้ ทีมงาน MPSD ซึ่งประจำอยู่ที่ Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ในฮัมบูร์ก ได้ค้นพบวิธีง่ายๆ แต่ยอดเยี่ยมในการหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ด้วยการปรับโครงสร้างสมการใหม่เพื่อให้ส่วนวัสดุเองรับผิดชอบต่อความไม่แน่นอนทางกลควอนตัมของแสง จึงจำเป็นต้องใช้โฟตอนเพิ่มเติมน้อยลงมากในการอธิบายระบบผสมของแสงควอนตัมและสสาร “ผลที่ได้คือ เราสร้างประตูเบอร์ลินโดยการแกะสลักจากหินก้อนแรกเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงกัน” เชฟเฟอร์อธิบาย “สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถอธิบายปฏิสัมพันธ์ควอนตัมระหว่างแสงกับสสารโดยมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับการพิจารณาวัสดุเพียงอย่างเดียว” ตัวอย่างเช่น เมื่อปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารรุนแรงมากจนทั้งสองระบบมีการประสานกันอย่างแท้จริง การกำหนดค่าที่เป็นไปได้แต่ละอย่างของสนามแสงสามารถเรียกร้องการพิจารณาโฟตอนหลายร้อยโฟตอน วิธีการใหม่นี้สามารถจับภาพคุณลักษณะส่วนใหญ่ของขีด จำกัด สุดขีดนี้โดยไม่จำเป็นต้องพิจารณาโฟตอนเลย การเพิ่มโฟตอนเพียงไม่กี่ก็เพียงพอที่จะให้ภาพที่สมบูรณ์ วิธีการนี้ช่วยประหยัดเวลาในการคำนวณได้มาก และเป็นกรอบการทำงานสำหรับนักวิทยาศาสตร์ในการทำนายความสัมพันธ์ระหว่างแสงควอนตัมกับสสารสำหรับระบบที่สมจริงในสถานการณ์ที่จำลองไม่ได้ “แนวทางของเราสามารถทำหน้าที่เป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาในอนาคต โดยเป็นแนวทางในการผสานรวมแสงควอนตัมเข้ากับเคมี การออกแบบวัสดุ และเทคโนโลยีควอนตัมได้อย่างแข็งแกร่งยิ่งขึ้น” เชฟเฟอร์กล่าว Angel Rubio ผู้อำนวยการ MPSD Theory กล่าวว่า “ในระเบียบแบบแผนทั่วไป เอฟเฟกต์ใหม่ๆ จำนวนมากอาจยังรอการค้นพบอยู่ “วิศวกรรมของวัสดุและสารเชิงซ้อนของโมเลกุลผ่านแสงกำลังกลายเป็นความจริง เรากำลังเริ่มการเดินทางที่ยาวนานและน่าตื่นเต้นเพื่อสำรวจความหมายทั้งหมดที่อาจเกิดขึ้นในเทคโนโลยีควอนตัมแบบใหม่ และงานของทีมถือเป็นก้าวสำคัญในเส้นทางนี้” ข้อมูลเพิ่มเติม: Christian Schäfer et al, Making ab initio QED functional(s): กรอบการทำงานที่มีประสิทธิภาพที่ไม่ก่อกวนและปราศจากโฟตอนสำหรับการมีเพศสัมพันธ์กับแสงจ้า, การดำเนินการของ National Academy of Sciences (2021) DOI: 10.1073/pnas.2110464118 การอ้างอิง: วิธีที่ง่ายมากในการทำนายปฏิสัมพันธ์ของสสารควอนตัม (2021, 13 ตุลาคม) ดึงข้อมูล 13 ตุลาคม 2564 จาก https://phys.org/news/2021-10-highly-quantum-light -matter-interactions.html เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

Leave a Reply

Your email address will not be published.

Back to top button