FOTONOK Einstein 1905: fotoeffektus → h ν energiájú fotonok

1. FOTONOK • Einstein 1905: fotoeffektus → hνenergiájú fotonok • az érvelés nem igaz, de fotonok mégis vannak, csak ritkán külön: • a fotonszám-sajátállapot egzotikus („a fotonszám rossz kvantumszám”) • Poisson-eloszlásban lehetetlen kizárni, hogy ahol egy foton van, ott • több is legyen (se rövid időkapuzással, se kis intenzitással) • a koherens állapot közönséges • Erősebb érv a fotonok mellett a fény-anyag kölcsönhatásban: • indukált és spontán emisszió (Einstein 1917) • Igazán erős bizonyíték: KÉTFOTON-KORRELÁCIÓKkoincidenciában mérve • 1956 Hanbury-Brown és Twiss : intenzitáskorrelációk • csillagászatban és laboratóriumban • ~1960 lézerek • 1963 Glauber: fotodetektálás elmélete, kvantumoptika (2005 Nobel-díj) • 1975 után Mandel et al.: kísérletek kétfoton-forrásokkal • 1982-től (Aspect et al.) BELL-TESZTEK

2. valencia-sáv vezetési sáv • FOTONDETEKTOROK • klasszikus: fény → hő ~ intenzitás (bolométer) • Egyes fotonok detektálása? • Részecskeszámlálás Geiger-Müller (nem proporcionális!) üzemmódban: • minden fotonra egy áramlökés • nehézség máig is: időben közeli fotonok szétválasztása! FOTOELEKTRON-SOKSZOROZÓ (PM) LAVINA-FOTODIÓDA (APD) ugyanez félvezetőből (más hullámhossz: más anyag) (infrában, ami az üvegszálon jól terjed: távközlési alkalmazások!) 7 • 10 elektron/foton • kb 50 % hatásfok • sötét zaj

3. i b a f: egy fotonnal kevesebb

4. egy foton detektor sorszáma a fotoelektronok detektálási valószínűsége

5. Hanbury-Brown és Twiss 1956 2 1 0 termikus koherens egy atom csapdázva τ

7. Hanbury-Brown és Twiss alkalmazta az effektust csillagászati interferometriára is: két távoli detektor kétfoton-korrelációiból következtethetünk egy csillag méretére.

8. Az igazi kétfoton-kísérletek: paraméteres lekonvertálás Egy foton be, kettő ki: harmadrendű (Pockels) nemlinearitás kell: reflexió-centrum nélküli kristályok (ADP, KDP stb.) ω/2 Transzverzális impulzusmegmaradás: a kúpon két ellentétes pontot blendékkel kell kiválasztani θ ω θ ω/2 Klasszikus nemlineáris optikában csak felharmonikus létezik, a lekonvertálás kvantumos effektus: páros spontán emisszió A θ kúpszöget a fázisillesztés = longitudinális impulzusmegmaradás követelménye határozza meg: (ilyen kristály kell)

9. Másodfajú paraméteres lekonvertálás: kettőstörő kristályban (pl. BBO), a kijövő két foton két kúpon lép ki, különböző polarizációval A két kúp metszésvonalaihoz illesztett blendéken összefonódott fotonpár lép ki - sokféle variáció, pl.

10. i 3 1 4 i 2 optikai harsona: késleltető, 0.1 fs pontossággal kb. 1970-től: az első igazi EGYFOTON-FORRÁS: ha az egyik fotont detektálják, a párja egyedül lép ki ugyanakkor! (koincidenciában kell használni) Hong, Ou, Mandel 1987: kioltó kétfoton-interferencia Ebből lenne a koincidencia, de mivel bozonok, , így a koincidencia kioltódik a kétfoton-interferencia által!

11. koincidencia- szám késleltetés (optikai harsona) 1 fs • a két ágba különböző polarizációt bevezetve megjelennek a koincidenciák • („út-info elmossa az interferenciát”) • a polarizációkülönbséget utólag (!!) (de még a detektor előtt) megszüntetve, • újra eltűnik a koincidencia („kvantumradír”) A kioltáshoz a tökéletes optikai kollimáláson kívül IDŐBELI EGYBEESÉS kell, ami 0.1 fs-os pontosságú IDŐMÉRÉST tesz lehetővé További trükkös kombinációk: DM Greenberger, MA Horne and A Zeilinger 1993 Multi-particle interferometry andthe superposition principle, Physics Today August pp22­29

12. A kvantumosság igazán megrázó tesztjeit a Bell-egyenlőtlenségek gondolatvilágában született mérések jelentik: lásd a következő részben