وقتی یک سیم گیتار به صدا در می‌آید، مانند هر چیز مرتعشی و طبق قوانین فیزیک کلاسیکی، بالا و پایین می‌‌رود. اما طبق قوانین کوانتومی، ارتعاش‌ها نه تنها باید به شکل موج، بلکه باید به شکل ذرات هم رفتار کنند. یعنی همان سیم گیتار در سطح کوانتومی باید مانند واحدهای منفرد انرژی که به عنوان فونون‌ها شناخته می‌شوند، ارتعاش کند. اکنون، دانشمندان دانشگاه MIT آمریکا و موسسه فناوری فدرال زوریخ، برای نخستین بار، یک تک فونون را در ماده‌ی معمولی در دمای اتاق، ساخته و مشاهده کرده‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…
تاکنون، تک فونون‌ها تنها در دمای مافوق سرد و در مواد میکروسکوپی به دقت مهندسی‌شده مشاهده شده بودند که پژوهشگران باید در شرایط خلا به بررسی آن‌ها می‌پرداختند. اما اکنون پژوهشگران تک فونون‌ها را در یک قطعه الماس که در تماس با هوا و در دمای اتاق ساخته شده، مشاهده کرده‌اند. نتایج این پژوهش در مقاله‌ای با عنوان «نزدیک کردن رفتار کوانتومی به زندگی روزمره» در مجله‌ی Physical Review X منتشر شد. آن‌ها می‌گویند:
یک دوگانگی بین تجربه روزمره‌ی ما از اینکه ارتعاش چیست (یک موج) و اینکه مکانیک کوانتومی به ما می‌گوید چه باشد (یک ذره)، وجود دارد. آزمایش ما، به دلیل اینکه در شرایط بسیار محسوسی هدایت شده، این کشمکش بین تجربه‌ی روزمره و آنچه فیزیک به ما در این مورد تاکید می‌کند را از میان می‌برد.
فنی که محققان توسعه دادند اکنون می‌تواند برای بررسی ارتعاشات کوانتومی سایر مواد معمولی مورد استفاده قرار گیرد. این امر می‌تواند به پژوهشگران در تشخیص فرایندهای سلول‌های خورشیدی، به علاوه شناسایی این که چرا مواد معینی در دماهای بالا، خاصیت ابررسانایی دارند، کمک کند. از نظر مهندسی، این تکنیک می‌تواند در شناسایی مواد معمولی حامل فونون، مورد استفاده قرار گیرد که ممکن است ارتباط ایده‌آلی بین کامپیوترهای کوانتومی آینده ایجاد کند.
فونون‌ها یا ذرات منفرد ارتعاش که با مکانیک کوانتومی توصیف می‌شوند، با گرما همراه‌اند. مثلا مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند وقتی یک بلور ساخته شده از شبکه منظمی از اتم‌های به هم پیوسته، از یک طرفش گرم می‌شود، گرما از میان بلور، به شکل فونون‌ها، یا ارتعاشات منفرد پیوندهای بین مولکول‌ها عبور می‌کند.
آشکارسازی تک فونون‌ها به دلیل حساس بودن آن‌ها به گرما، بسیار مشکل است. فونون‌ها به هر گونه انرژی گرمایی که از انرژی خود آن‌ها بزرگتر باشد، حساس هستند. اگر فونون‌ها ذاتا کم انرژی باشند، آنگاه قرارگیری آن‌ها در معرض انرژی‌های گرمایی بالاتر می‌تواند موجب برانگیختگی‌شان شود.
نخستین تلاش‌ها برای مشاهده‌ی تک فونون‌ها، به کمک موادی که به منظور به دام انداختن تعداد کمی فونون در انرژی‌های بالا مهندسی شده بودند، انجام شد. سپس پژوهشگران این مواد را در سردخانه‌هایی با دمای نزدیک صفر مطلق قرار می‌دادند تا مطمئن شوند که انرژی گرمایی محیط از انرژی فونون‌ها درون مواد، کمتر است. پژوهشگران، سپس با امید به اینکه یک فوتون بتواند با یک فونون منفرد برهمکنش کند، پالسی از فوتون‌ها را به درون ماده شلیک می‌کردند. وقتی این اتفاق می‌افتد، فوتون در فرایندی که پراکندگی رامان نامیده می‌شود، باید در یک انرژی متفاوت با آنچه از طریق برهمکنش با فونون به آن منتقل شده، به بیرون پرتاب شود. به این ترتیب، پژوهشگران می‌توانستند فونون‌های منفرد را در دمای مافوق سرد و مواد به دقت مهندسی شده، آشکار کنند.
محققان برای این پژوهش جدید، الماس را مورد آزمایش قرار دادند. در الماس، فونون‌ها به صورت طبیعی در فرکانس‌های بالا، یعنی در ده‌ها تراهرتز عمل می‌کنند. این فرکانس‌ها آنقدر بالاست که در دمای اتاق، انرژی یک تک فونون از انرژی گرمایی محیط بالاتر است. محققان می‌گویند:
وقتی این بلور الماس در دمای اتاق قرار می‌گیرد، حرکت فونون حتی وجود ندارد، زیرا در دمای اتاق، انرژی لازم برای برانگیختن هیچ چیزی وجود ندارد.
پژوهشگران سعی کردند تا درون این مخلوط فونون ها (که به لحاظ ارتعاشی، یک مخلوط آرام است)، تنها یک فونون را برانگیخته کنند. آن‌ها پالس‌های لیزر با فرکانس بالا، شامل ۱۰۰ میلیون فوتون در هر پالس را به درون الماس فرستادند. در چنین موقعیتی، شانس این وجود داشت که یکی از آن‌ها بر همکنش کرده و یک فونون بازتاب کند. محققان سپس فرکانس کاهش یافته‌ی فوتون شرکت کننده در برخورد را اندازه گیری کردند که در واقع تایید می‌کرد آن واقعا به یک فونون برخورد کرده است. اما آن‌ها به کمک این کار نمی‌توانستند تشخیص دهند چند فونون در این فرایند برانگیخته شده است.
پژوهشگران برای کشف تعداد فونون‌های برانگیخته شده، پالس دوم لیزر را به درون الماس فرستادند. برای هر فونون برانگیخته شده به وسیله‌ی پالس اول، این پالس دوم می‌تواند فونون برانگیخته شده را به آسایش برساند (از حالت برانگیخته به حالت با انرژی کمتر ببرد) و انرژی را به صورت یک فوتون جدید پرانرژی دفع کند. اگر در ابتدا فقط یک فونون برانگیخته شده بود، سپس یک فوتون جدید با فرکانس بالا باید ساخته می‌شد.
محققان به منظور تایید این عمل، یک شیشه‌ی نیمه شفاف را در مسیر خروج فوتون پرانرژی گذاشتند و دو آشکارساز را در هر طرف شیشه قرار دادند. فوتون‌ها شکافته نمی‌شوند، پس اگر چند فونون، برانگیخته و سپس آسایش یابند، فوتون‌های حاصل باید از میان شیشه عبور کنند و به صورت تصادفی در هر دو آشکارساز پراکنده شوند. اگر فقط یک آشکارساز «کلیک کند» (سیگنال بدهد)، که به معنای آشکارشدن یک تک فوتون است، آنگاه محققان می‌توانند اطمینان یابند که آن فوتون با یک تک فونون بر همکنش کرده است.
احتمال بر همکنش یک فوتون با یک فونون، یک در ده میلیارد است. پژوهشگران در آزمایش‌های خود، الماس را طی چند ساعت و با ۸۰ میلیون پالس بر ثانیه، منفجر کردند تا یک میلیون بر همکنش فوتون-فونون را آشکارسازی کنند. در پایان، آن‌ها توانستند یک تک کوانتوم از ارتعاش را ساخته و آشکار کنند.
