Wat is kwantumoptica?

NickS/Getty Images

Kwantumoptica is een veld van kwantumfysica die zich specifiek bezighoudt met de interactie van fotonen met materie. De studie van individuele fotonen is cruciaal om het gedrag van elektromagnetische golven als geheel te begrijpen.

Om precies te verduidelijken wat dit betekent, verwijst het woord 'kwantum' naar de kleinste hoeveelheid van een fysieke entiteit die kan interageren met een andere entiteit. De kwantumfysica houdt zich dus bezig met de kleinste deeltjes; dit zijn ongelooflijk kleine subatomaire deeltjes die zich op unieke manieren gedragen.

Het woord 'optica' in de natuurkunde verwijst naar de studie van licht. Fotonen zijn de kleinste lichtdeeltjes (hoewel het belangrijk is om te weten dat fotonen zich zowel als deeltjes als als golven kunnen gedragen).

Ontwikkeling van kwantumoptica en de fotontheorie van licht

De theorie dat licht in afzonderlijke bundels (d.w.z. fotonen) bewoog, werd gepresenteerd in Max Plancks artikel uit 1900 over de ultraviolette catastrofe in zwarte lichaamsstraling . In 1905 breidde Einstein deze principes uit in zijn uitleg van de fotoëlektrisch effect om de fotontheorie van licht te definiëren.

De kwantumfysica ontwikkelde zich in de eerste helft van de twintigste eeuw grotendeels door te werken aan ons begrip van hoe fotonen en materie op elkaar inwerken en met elkaar in verband staan. Dit werd echter gezien als een studie van de zaak waarbij meer betrokken was dan het licht.

In 1953 werd de maser ontwikkeld (die coherente microgolven uitzond) en in 1960 werd de laser (die coherent licht uitstraalde). Naarmate de eigenschap van het licht dat bij deze apparaten betrokken is belangrijker werd, begon kwantumoptica te worden gebruikt als de term voor dit gespecialiseerde vakgebied.

bevindingen

Kwantumoptica (en kwantumfysica als geheel) beschouwt elektromagnetische straling als reizen in de vorm van zowel een golf als een deeltje tegelijkertijd. Dit fenomeen heet dualiteit golf-deeltjes .

De meest gebruikelijke verklaring voor hoe dit werkt, is dat de fotonen in een stroom deeltjes bewegen, maar het algemene gedrag van die deeltjes wordt bepaald door een kwantumgolf functie die de waarschijnlijkheid bepaalt dat de deeltjes zich op een bepaald moment op een bepaalde locatie bevinden.

Op basis van bevindingen uit de kwantumelektrodynamica (QED), is het ook mogelijk om kwantumoptica te interpreteren in de vorm van het creëren en vernietigen van fotonen, beschreven door veldoperators. Deze benadering maakt het gebruik van bepaalde statistische benaderingen mogelijk die nuttig zijn bij het analyseren van het gedrag van licht, maar of het vertegenwoordigt wat er fysiek plaatsvindt, is een kwestie van discussie (hoewel de meeste mensen het als slechts een nuttig wiskundig model beschouwen).

Toepassingen

Lasers (en masers) zijn de meest voor de hand liggende toepassing van kwantumoptica. Het licht dat door deze apparaten wordt uitgestraald, bevindt zich in een coherente toestand, wat betekent dat het licht sterk lijkt op een klassieke sinusoïdale golf. In deze coherente toestand is de kwantummechanische golffunctie (en dus de kwantummechanische onzekerheid) gelijk verdeeld. Het door een laser uitgezonden licht is daarom zeer geordend en over het algemeen beperkt tot in wezen dezelfde energietoestand (en dus dezelfde frequentie en golflengte).