吳 媛,郭超修,尹亞玲,陳麗清
(華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 上海 200241 )
伴隨著量子力學(xué)的發(fā)展,物理學(xué)的研究已經(jīng)從宏觀世界的存在形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)向微觀世界[1]. 相比于宏觀世界,微觀世界的存在形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律通常無法直接觀測到,需要相應(yīng)的量子實(shí)驗(yàn)技術(shù)才可以測量[2]. 目前,平衡零拍探測技術(shù)作為常用的量子測量手段,廣泛應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究,并在諸如引力波探測[3]、量子磁力計(jì)[4]以及量子重力儀[5]等量子精密測量領(lǐng)域取得了重大突破[6]. 然而,該實(shí)驗(yàn)技術(shù)并未普及到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中,導(dǎo)致量子力學(xué)在物理本科教學(xué)中仍停留在理論講解階段,缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證幫助學(xué)生理解相關(guān)理論. 因此,填補(bǔ)量子實(shí)驗(yàn)技術(shù)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的空白顯得極為迫切.
此外,在新工科的背景下,為了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才,需要將最新的科學(xué)研究成果與基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合[7],研發(fā)具有“設(shè)計(jì)性、研究型、探索性”的基于量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀. 通過該實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀,讓本科生掌握量子物理基本原理及相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的同時(shí),與時(shí)俱進(jìn)的了解前沿科學(xué)技術(shù)發(fā)展,培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的科學(xué)思維能力、創(chuàng)造創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實(shí)際等綜合能力,為新工科人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)[8].
在量子力學(xué)中認(rèn)為真空存在漲落,即“真空不空”. 這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象由于真空場的能量比較小,通常淹沒在探測器以及采集系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲里而無法直接測量到等原因,導(dǎo)致在經(jīng)典物理中被認(rèn)為是“真空能量為零”. 為了驗(yàn)證真空場的能量是否為零,本論文提出一種量子真空場測量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀,利用平衡零拍探測的量子實(shí)驗(yàn)技術(shù),通過光學(xué)放大過程將真空場強(qiáng)度放大,實(shí)現(xiàn)直接用普通光電探測器測量真空漲落. 本實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀將量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)充實(shí)到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)體系中,實(shí)驗(yàn)裝置簡單,現(xiàn)象直觀,易于操作且耐用,讓學(xué)生在驗(yàn)證理論知識的同時(shí),掌握了量子實(shí)驗(yàn)技術(shù).
(1)
由于入射光束1與光束2無任何關(guān)聯(lián),所以〈a?aVV?〉=〈a?a〉〈VV?〉. 其中,〈a?a〉=N為光束1的光子數(shù),〈VV?〉為真空場起伏. 當(dāng)光束1的能量足夠大時(shí),可以忽略其能量起伏. 此時(shí)功率譜滿足Ps∝N〈VV?〉. 根據(jù)以上分析,本教學(xué)儀設(shè)計(jì)如下討論進(jìn)行真空場測量,具體如下:
1) 若如經(jīng)典物理認(rèn)為的“真空沒有任何能量起伏”,即:〈VV?〉=0. 根據(jù)式(1)可知,Ps≡0. 此時(shí),頻譜分析儀上各個(gè)頻率下的功率譜只是電子學(xué)噪聲的貢獻(xiàn). 因此,無論光束1的光子數(shù)N如何變化,功率譜均不變.
2) 若如量子力學(xué)認(rèn)為的“真空存在漲落且其漲落為單光子量級”,即〈VV?〉≠0,則在去除電子學(xué)噪聲后,根據(jù)式(1)可知,Ps隨著N成線性變化的關(guān)系. 當(dāng)N足夠大,真空場起伏〈VV?〉被放大了N倍,從不可測量的量級達(dá)到普通光電探測器可以測量的量級. 因此,通過測量Ps和N的線性關(guān)系,可以驗(yàn)證真空場存在漲落.
因此,本教學(xué)演示儀通過平衡零拍探測的量子實(shí)驗(yàn)技術(shù),測量Ps是否會(huì)隨著N的改變而改變,實(shí)現(xiàn)真空不空的驗(yàn)證. 當(dāng)Ps不隨著N的改變而改變時(shí),則證明真空沒有能量起伏. 反之,當(dāng)Ps隨著N成線性變化時(shí),則證明真空場確實(shí)存在. 根據(jù)以上原理,學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)裝置,采集相關(guān)數(shù)據(jù),驗(yàn)證相關(guān)物理現(xiàn)象.
圖1 平衡零拍探測示意圖
根據(jù)平衡零拍探測的工作原理,搭建并測試真空場測量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀.
該實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀包含如下器件:He-Ne激光器(Thorlabs)、衰減器、分束器、反射鏡、差分探測器以及頻譜分析儀. 其中,光束1從分束器的端口1注入,其光子數(shù)N以光強(qiáng)I0衡量. 光束2從分束器的端口2注入,當(dāng)其無注入時(shí),即為真空.
圖2 真空場測量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀
根據(jù)圖2搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀,并通過以下步驟完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄. 具體實(shí)驗(yàn)過程如下:
1) 當(dāng)光束1被擋住后,探測器沒有任何外部能量入射,在頻譜儀上能夠直接看到探測器以及頻譜分析儀整體的電子測量系統(tǒng)的噪聲,記錄下電子學(xué)噪聲在各個(gè)頻率下的大小;
2) 打開光束1,在頻譜分析儀上能夠看到高于電子學(xué)噪聲的能量. 調(diào)整衰減器2和衰減器3,使得頻譜儀上的能量處于最小值,以保證光束3和光束4的平均能量完全相等;
3) 調(diào)節(jié)衰減1,改變光束1的光強(qiáng),測量并記錄光束1光強(qiáng)以及頻譜分析儀上的信號;
4) 重復(fù)步驟3,獲得一系列的功率值及其對應(yīng)的頻譜信號;
5) 選擇任意頻率點(diǎn)的功率譜值,并繪制其與光束1光強(qiáng)的曲線圖. 將該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論公式對比,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.
根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟,改變光束1的光強(qiáng)I0,采集如圖3所示的一系列功率譜圖. 其中,當(dāng)光束1的功率為I0=0時(shí),頻譜儀采集的是教學(xué)儀的電子學(xué)本底噪聲. 隨著I0的增加,頻譜儀采集的信號也隨之增加. 由此可見,真空能量不為零.
圖3 不同注入功率時(shí)的頻譜圖
表1 不同注入功率下采集的6組頻譜信號
圖4 在1 MHz時(shí)探測功率與注入光強(qiáng)的關(guān)系曲線
圖5 不同頻率下探測功率與注入光強(qiáng)的關(guān)系曲線
基于量子真空場測量的量子力學(xué)本科教學(xué)演示儀,通過搭建平衡零拍探測,實(shí)現(xiàn)了量子真空漲落的放大和測量.
通過該實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀,將量子力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的普及,提高學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí),拓展了學(xué)生的思路,為量子力學(xué)在科技創(chuàng)新和社會(huì)發(fā)展等方面的應(yīng)用儲(chǔ)備了人才.