Theoretical research in nonlinear and quantum optics

非线性与量子光学理论研究

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2014-05126
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2014-01-01 至 2015-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Light and matter: How do they interact? This is a proposal for a research program to investigate some of the quantum mechanical subtleties of photons and electrons -- the particles of light and electricity -- that arise when there are many electrons around, because the matter is condensed, and many photons around as well, due to the light being very intense. Remarkable things can happen. The presence of the electrons can cause some of the photons to split into two photons. These new photons are "entangled," as is said in the jargon of quantum mechanics, neither photon really being quite independent of the other even if they would propagate kilometres away from each other. This entanglement makes them a resource for processing information. But to do that we need many of them, and should be able to control them: they should be on a "chip," just as are the electrons we control to use for information processing. How do we make the photons there, control them there, and adjust their properties so they are interesting and useful? Will all the imperfections on a chip destroy their subtle connection with each other? What if one scatters off the chip? How would we do "quality control" on these chips if we were to make them? Can we add special elements to the chip that will give us more special photon states? Or could we just combine standard elements in a special way to get those special states? The electrons can behave in strange quantum mechanical ways too. When an electron is in a solid and a strong electric field is applied, it responds with an "effective mass" that can be quite different than its mass in free space, and reflects the effects of the underlying lattice. But it doesn't respond with this effective mass right away. As the very first it responds with its free space "bare mass." How does this happen? How long does it take for the "effective mass" to emerge? Are there other quantities that behave like that, taking their time to settle down when a force is applied? Will these effects be important in ultrafast electronics? If instead we let light act on the electrons in a solid, since quantum mechanics allows different possibilities to interfere with each other, just as water waves can, we can use the light to generate an interference that will send electrons in one direction or another, just as we choose. Can we use this to control currents in new nanostructure devices? Or at least to study how electrons move in these materials, by shooting them first in one direction and then in the other? Can we shoot spins too? This is using the light to control the electrons. But if the light is very intense will it be affected by the electrons in ways other than by making some of the photons split? Can we use these other effects to control the light, or change its color? Can we do this all on a chip too? Will novel materials help? Do we have all the underlying concepts we need to address these issues? As material and laser science progresses, leading to smaller and smaller solid state structures and shorter and shorter optical pulses, these kinds of phenomena will be crucial as photonics and electronics merge into a single field that may have a profound impact on both our science and technology. Behind all of them are fundamental issues in physics.
光与物质:它们是如何相互作用的?这是一个研究项目的提案,旨在研究光子和电子--光和电的粒子--的一些量子力学微妙之处,当周围有许多电子时,因为物质是凝聚的,周围也有许多光子,因为光非常强。非同寻常的事情可能会发生。电子的存在会导致一些光子分裂成两个光子。正如量子力学的行话所说,这些新的光子是“纠缠的”,两个光子实际上都不是完全独立的,即使它们会彼此传播几公里远。这种纠缠使它们成为处理信息的资源。但要做到这一点,我们需要许多电子,并且应该能够控制它们:它们应该在一个“芯片”上,就像我们控制用于信息处理的电子一样。我们如何在那里制造光子,在那里控制它们,并调整它们的性质,使它们变得有趣和有用?芯片上的所有瑕疵会破坏它们之间微妙的联系吗?如果有一个人从芯片上散开了怎么办?如果我们要制造这些芯片,我们将如何对其进行“质量控制”?我们能不能在芯片中加入特殊的元素,让我们得到更多特殊的光子状态?或者,我们是否可以用一种特殊的方式组合标准元素,以获得这些特殊的状态?电子也可以以奇怪的量子力学方式运行。当一个电子在固体中时,当施加一个强大的电场时,它的“有效质量”可能与它在自由空间中的质量有很大的不同,并反映了底层晶格的影响。但它不会立即以这个有效质量做出反应。作为第一个回应,它以其自由空间的“裸体质量”作为回应。这是怎么发生的?“有效质量”需要多长时间才能出现?有没有其他像这样的量,当施加一个力时,它们会慢慢稳定下来?这些效应在超高速电子产品中会很重要吗?相反,如果我们让光作用于固体中的电子,因为量子力学允许不同的可能性相互干扰,就像水波一样,我们可以利用光产生干扰,将电子发送到一个或另一个方向,就像我们选择的那样。我们能用它来控制新的纳米结构设备中的电流吗?或者至少研究电子是如何在这些材料中运动的,首先向一个方向发射电子,然后再向另一个方向发射电子?我们也可以打旋转吗?这是利用光来控制电子。但是,如果光非常强,除了使一些光子分裂外,它还会受到电子的影响吗?我们可以使用这些其他效果来控制光线,或改变其颜色吗?我们也可以在一块芯片上完成这一切吗?新奇的材料会有帮助吗?我们是否拥有解决这些问题所需的所有基本概念?随着材料和激光科学的进步,导致固态结构越来越小,光脉冲越来越短,随着光子学和电子学合并成一个可能对我们的科学和技术产生深远影响的单一领域,这些现象将变得至关重要。在所有这些问题的背后,都是物理学的基本问题。

项目成果

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知道了