Kvantoptik är ett område av kvantfysik som handlar specifikt om interaktion mellan fotoner med materia. Studien av enskilda fotoner är avgörande för att förstå beteendet hos elektromagnetiska vågor som helhet.
För att klargöra exakt vad detta betyder, avser ordet "kvantum" den minsta mängden av alla fysiska enheter som kan interagera med en annan enhet. Kvantfysik behandlar därför de minsta partiklarna; det är otroligt små subatomära partiklar som uppför sig på unika sätt.
Ordet "optik", i fysik, hänvisar till studiet av ljus. Fotoner är de minsta partiklarna av ljus (även om det är viktigt att veta att fotoner kan bete sig som både partiklar och vågor).
Utveckling av kvantoptik och ljusets fotonteori
Teorin om att ljus rörde sig i diskreta buntar (d.v.s. fotoner) presenterades i Max Plancks papper från 1900 om den ultravioletta katastrofen i strålning av svart kropp. 1905 expanderade Einstein på dessa principer i sin förklaring av fotoelektrisk effekt för att definiera fotonteorin om ljus.
Kvantfysik utvecklades genom första hälften av det tjugonde århundradet till stor del genom att arbeta med vår förståelse av hur fotoner och materia interagerar och inter-relaterar. Detta betraktades emellertid som en studie av frågan som involverade mer än ljuset inblandat.
1953 utvecklades maser (som släppte samman sammanhängande mikrovågor) och 1960 laser (som släppte sammanhängande ljus). När egenskaperna hos ljuset som involverades i dessa enheter blev viktigare, började kvantoptik användas som termen för detta specialiserade fält.
fynd
Kvantoptik (och kvantefysik i sin helhet) ser elektromagnetisk strålning som rörande i form av både en våg och en partikel samtidigt. Detta fenomen kallas våg-partikel dualitet.
Den vanligaste förklaringen på hur detta fungerar är att fotonerna rör sig i en ström av partiklar, men det totala beteendet hos dessa partiklar bestäms av en kvantvågfunktion som bestämmer sannolikheten för att partiklarna befinner sig på en given plats vid en given tidpunkt.
Med resultat från kvantelektrodynamik (QED) är det också möjligt att tolka kvantoptik i form av skapande och förintelse av fotoner, beskrivna av fältoperatörer. Detta tillvägagångssätt tillåter användning av vissa statistiska metoder som är användbara för att analysera ljusets beteende, även om det är representerar vad som fysiskt äger rum är en fråga om en viss debatt (även om de flesta ser det som en användbar matematik modell).
tillämpningar
Lasrar (och masers) är den mest uppenbara tillämpningen av kvantoptik. Ljus som avges från dessa enheter är i ett sammanhängande tillstånd, vilket innebär att ljuset liknar en klassisk sinusformad våg. I detta sammanhängande tillstånd fördelas den kvantmekaniska vågfunktionen (och därmed den kvantmekaniska osäkerheten) lika. Ljuset som släpps ut från en laser är därför starkt ordnat och i allmänhet begränsat till väsentligen samma energitillstånd (och därmed samma frekvens och våglängd).