Почнемо з електромагнітного випромінювання. Як ви, напевно, пам'ятаєте, відомий німецький фізик Макс Планк відкрив на початку 20 століття його дискретну природу, займаючись питанням теплового випромінювання нагрітих тіл. Він з'ясував, що електромагнітні хвилі випромінюються не безупинно, а порціями - "квантами". Пізніше цю ідею розвинув Ейнштейн при поясненні фотоефекту, а одиницю квантування назвали "постійною Планка" (і позначили буквою h).
Щоб пам'ятали - постійна Планка. Тепер з нею навіть футболки випускають.
Цей самий квант електромагнітного випромінювання фізики "обізвали" фотоном і стали користуватися їй поряд з іншими частинками - електроном, протоном, нейтроном і т.д. Всім це припало до смаку і надалі з'явилося багато таких "віртуальних" часток, що позначав квант будь-якого поля, яким фізики давали найрізноманітніші назви - Гравітон, поляритони, екситон, фонони та інші. Про них все ми розповімо як-небудь іншим разом, а зараз займемося фононами.
Давайте згадаємо, як ми зазвичай уявляємо собі тверде тіло (кристалічна) на мікромасштабі. Атоми і молекули, збудовані в певному порядку, який часто називають кристалічною решіткою або кристалічною структурою речовини. Приклади таких структур можна побачити на зображенні нижче. Фонон ж, по-простому, це квант механічного коливання кристалічної решітки в твердому тілі.
Приклади кристалічних решіток. Джерело: 900igr.netkartinkikhimijaKristallicheskie-i-amorfnye-tela006-Kristallicheskaja-reshetka.html
Якось складно вийшло. Спробуємо ще раз. Уявіть собі атом у вузлі кристалічної решітки, який чомусь змістився зі свого положення рівноваги. При цьому змінилися сили, що діють з боку цього атома на його сусідів по решітці, тому вони теж змушені почати рухатися, впливаючи, в свою чергу, на своїх сусідів і поширюючи збудження далі. Найменша неподільна порція такого механічного збудження і називається фонони. До речі кажучи, поняття фонона було вперше запропоновано радянським фізиком Ігорем Таммом в 1932 році.
Що ж ми маємо в підсумку? Дві частинки - фотон і фонон, які з точки зору квантової механіки дуже схожі між собою - це всього лише кванти збуджень, які мають різну природу, але описуються однаковими формулами. Більш того, фотони і фонони можуть взаємодіяти між собою і породжувати один одного. Тут і бере початок "оптомеханіка", що вивчає системи, в яких фотони і фонони взаємодіють на квантовому рівні. Розберемося трохи докладніше, як саме це відбувається.
Комета, облітає навколо Сонця. Джерело: astronom-us.rufizprirodakomety-ih-dvizhenie-i-priroda.html
Ще в 17 столітті знаменитий Йоганн Кеплер помітив, що хвіст комети завжди спрямований від Сонця, з чого він зробив правильний висновок про наявність у світла імпульсу. Експериментально це було підтверджено лише на початку 20 століття, завдяки майстерної роботи Петра Миколайовича Лебедєва. а трохи пізніше, в 30-х роках 20 століття, були успішно поставлені експерименти по передачі імпульсу фотонів атомам і навіть макроскопічними тіл.
Роботи другої половини 20 століття зосередилися на вивчення концептуально простий системи, приклад якої показаний на зображенні нижче. На ній представлено напівпрозоре дзеркало, через яке можуть проникати фотони, і непрозоре дзеркало, закріплене на механічній пружині, якому фотони можуть передавати свій імпульс. Подивившись на цю систему з іншого боку, можна побачити два "пов'язаних" осцилятора - оптичний (фотони, що літають між дзеркалами - так званий резонатор Фабрі-Перо) і механічний (дзеркало на пружинці).
Приклад стандартної оптомеханической системи. Зображення: C Baker
Такі системи гаряче улюблені теоретиками і відмінно описуються, як з класичної, так і з квантової точки зору, а експериментальне їх дослідження почалося в 60-70-х роках 20 століття в Радянському Союзі на фізичному факультеті МГУ. Дві піонерські роботи використовували замість оптичних резонаторів мікрохвильові, де стояча хвиля з мікрохвильових фотонів формувалася в металевій порожнини (схема цього експерименту показана нижче), а перший експеримент з оптичними фотонами був поставлений в 1983 році. Ці роботи показали можливість послаблювати або посилювати механічні коливання системи з допомогою радіаційного тиску фотонів.
Схема піонерського експерименту. Джерело: hbar.phys.msu.ruarticles70a1BrMaTi.pdf
На цьому ми закінчуємо нашу першу статтю про оптомеханіку, яка, сподіваємося, послужить вам непоганим введенням в тему! У наступній статті ми проведемо теоретичний розбір оптомеханической системи (так-так, будуть формули!), А потім розповімо вам про гігантський стрибок, який стався в цій області за перше десятиліття 21 століття завдяки технологіям мікро- і нано-фабрикації.
P.S. Не забувайте вступати в наше співтовариство і ділитися цікавинками з друзями! 😉