Нано-лампочка на границе квантовой и классической физики
Группа физиков из США представила самую маленькую в мире лампу накаливания, использовав углеродную нанотрубку в качестве нити. Созданная таким образом лампочка освещает границу квантовых и классических физических явлений, как в прямом, так и в переносном смысле.
Работа обычной лампочки накаливания по большей части описывается теорией Планка об излучении абсолютно черного тела.
Черное тело – это удобная физическая абстракция, не существующая в реальном мире, как, например, материальная точка; это тело, поглощающее излучение во всех частотных диапазонах. Одним из примеров, используемых для иллюстрации понятия абсолютно черного тела, является сажа.
Не смотря на отсутствие отражения, черное тело может излучать «собственный» свет. При этом теория Планка предлагает способ количественной оценки интенсивности излучения нагретого тела на разных частотах в зависимости от его температуры. Формула Планка достаточно хорошо согласуется с практическими результатами для макроскопических тел, например, для лампы накаливания, Солнца или так называемой ранней Вселенной.
Не смотря на то, что закон Планка для абсолютно черного тела был создан благодаря идеи квантования электромагнитного излучения, он базируется на представлениях классической термодинамики, рассматривающей лишь макроскопические тела (своего рода, статистический подход).
Известно, что законы, созданные на основе статистического подхода (законы классической термодинамики) не действуют для 1 – 2 атомов. В то же время, законы квантовой механики не применимы к системам с сотнями миллиардов частиц. Но где граница квантового и классического подходов? Единственный способ ответить на этот вопрос – это постепенно предлагать эксперименты, в которых ожидается проявление тех или иных свойств. Одним из таких экспериментов и стало создание самой маленькой лампы накаливания в мире.
Для ее создания Крис Реган (Chris Regan) с коллегами из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе использовали всего лишь одну углеродную нанотрубку, толщина которой около 100 атомов. Для подачи напряжения на эту «нить» использовались те же технологии, что применяются при создании микрочипов. Методами нанолитографии на подложку были нанесены золотые «провода», подключающие нанотрубку к источнику тока. Нить и провода вместе с подложкой были помещены в вакуум для защиты нанотрубки от горения. В каком-то смысле углеродная нанотрубка является идеальной нитью для лампы, т.к. она достаточно устойчива к высоким температурам. К слову, использование углерода для нитей – идея, предложенная еще Томасом Эдисоном, создателем первой лампы накаливания.
Пропускание тока через трубку нагревает ее и заставляет излучать свет. Нанотрубка слишком мала, чтобы заметить ее даже в оптический микроскоп, однако, когда лампа «зажигается» ее можно разглядеть и невооруженным глазом.
В общей сложности трубка состоит примерно из 20 миллионов атомов. Как оказалось, это количество частиц находится примерно на границе между классическим и квантовым подходом.
Основным объектом исследования на первом этапе стал спектр излучаемого света. К огромному удивлению ученых теория Планка, описывающая излучение абсолютно черного тела, оказалась применима не только для объектов макромасшаба, но и для нано-лампочки. Этот факт удалось установить, благодаря использованию оптического микроскопа с набором различных цветных фильтров. Полученная на практике интенсивность излучения при определенной температуре (для данного цвета) хорошо согласовывалась с расчетами по формуле Планка.
На следующем этапе группа ученых планирует исследовать когерентные свойства излучения нанолампочки. Как известно, квантовые источники (например, лазеры) дают когерентное излучение, при этом лампы накаливания излучают некогерентный свет. В том случае, если нанолампа в эксперименте проявит себя как квантовый источник, можно будет с уверенностью сказать: граница квантового и статистического подходов найдена.
