Κβαντική Οπτική: Πώς τα Φωτόνια του Φωτός αλληλεπιδρούν με την Υφή

Η κβαντική οπτική είναι πεδίο κβαντική φυσική που ασχολείται ειδικά με την αλληλεπίδραση του φωτόνια με την ύλη. Η μελέτη μεμονωμένων φωτονίων είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο σύνολό τους.

Για να διευκρινιστεί τι σημαίνει αυτό, η λέξη "κβαντική" αναφέρεται στη μικρότερη ποσότητα οποιασδήποτε φυσικής οντότητας που μπορεί να αλληλεπιδράσει με μια άλλη οντότητα. Έτσι, η κβαντική φυσική ασχολείται με τα μικρότερα σωματίδια. αυτά είναι απίστευτα μικροσκοπικά υπο-ατομικά σωματίδια που συμπεριφέρονται με μοναδικούς τρόπους.

Η λέξη "οπτική", στη φυσική, αναφέρεται στη μελέτη του φωτός. Τα φωτόνια είναι τα μικρότερα σωματίδια φωτός (αν και είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι τα φωτόνια μπορούν να συμπεριφέρονται ως σωματίδια και κύματα).

Η θεωρία ότι το φως κινήθηκε σε διακεκριμένες δέσμες (δηλαδή φωτόνια) παρουσιάστηκε στο χαρτί του Max Planck του 1900 σχετικά με την υπεριώδη καταστροφή

Η κβαντική φυσική αναπτύχθηκε μέσα στο πρώτο μισό του εικοστού αιώνα, σε μεγάλο βαθμό μέσω εργασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα φωτόνια και η ύλη αλληλεπιδρούν και αλληλοσυνδέονται. Αυτό θεωρήθηκε, ωστόσο, ως μια μελέτη του θέματος που εμπλέκονταν περισσότερο από το εμπλεκόμενο φως.

Το 1953, αναπτύχθηκε ο maser (ο οποίος εκπέμπει συνεκτικά μικροκύματα) και το 1960 ο λέιζερ (που εκπέμπει συνεκτικό φως). Δεδομένου ότι η ιδιότητα του φωτός που εμπλέκεται σε αυτές τις συσκευές έγινε πιο σημαντική, η κβαντική οπτική άρχισε να χρησιμοποιείται ως όρος για αυτό το ειδικό πεδίο σπουδών.

Η κβαντική οπτική (και η κβαντική φυσική στο σύνολό της) βλέπουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία καθώς ταξιδεύουν ταυτόχρονα με τη μορφή κύματος και σωματιδίου. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται η δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων.

Η πιο συνηθισμένη εξήγηση για το πώς αυτό λειτουργεί είναι ότι τα φωτόνια κινούνται σε ένα ρεύμα σωματιδίων, αλλά η συνολική συμπεριφορά αυτών των σωματιδίων καθορίζεται από ένα λειτουργία κβαντικού κύματος που καθορίζει την πιθανότητα τα σωματίδια να βρίσκονται σε δεδομένη θέση σε δεδομένο χρόνο.

Λαμβάνοντας τα ευρήματα από την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), είναι επίσης δυνατή η ερμηνεία της κβαντικής οπτικής με τη μορφή της δημιουργίας και της εξόντωσης των φωτονίων, που περιγράφονται από τους χειριστές πεδίου. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει τη χρήση ορισμένων στατιστικών προσεγγίσεων που είναι χρήσιμες στην ανάλυση της συμπεριφοράς του φωτός, αν και αυτό αντιπροσωπεύει ό, τι συμβαίνει φυσικά είναι θέμα συζήτησης (αν και οι περισσότεροι το θεωρούν απλώς χρήσιμο μαθηματικό μοντέλο).

Λέιζερ (και masers) είναι η πιο προφανής εφαρμογή της κβαντικής οπτικής. Το φως που εκπέμπεται από αυτές τις συσκευές είναι σε μια συνεκτική κατάσταση, που σημαίνει ότι το φως μοιάζει πολύ με ένα κλασικό ημιτονοειδές κύμα. Σε αυτή τη συνεκτική κατάσταση, η λειτουργία κβαντικού μηχανικού κύματος (και έτσι η κβαντική μηχανική αβεβαιότητα) κατανέμεται εξίσου. Το φως που εκπέμπεται από ένα λέιζερ είναι επομένως εξαιρετικά διατεταγμένο και γενικά περιορίζεται ουσιαστικά στην ίδια ενεργειακή κατάσταση (και συνεπώς την ίδια συχνότητα & μήκος κύματος).