Un gruppo di ricerca internazionale, insieme a scienziati della MSU, hanno sviluppato un metodo di spettroscopia risolta nel tempo che consente di studiare processi veloci nei campioni. Il nuovo metodo funziona analizzando la luce quantizzata trasmessa attraverso un campione senza l'uso di laser a femtosecondi e sistemi di rilevamento complessi. Questo design è molto più economico di quello utilizzato attualmente, e consente ai ricercatori di studiare un campione senza distruggerlo. La ricerca è stata pubblicata in Rapporti scientifici .

Uno dei modi più comuni di indagare le interazioni ei processi che si verificano in una sostanza è misurare il tempo in cui un campione risponde ai campi elettromagnetici esterni che lo influenzano. Secondo questa misura, è possibile giudicare quali connessioni esistono tra i componenti della sostanza. Poiché questi tempi sono spesso misurati in femtosecondi (10 ^-15 secondo), i ricercatori utilizzano laser a femtosecondi in grado di generare impulsi ultracorti.

Il problema è che i laser a femtosecondi hanno un'elevata potenza, e quindi può danneggiare il campione; in secondo luogo, questi laser sono costosi. Risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato uno schema che consente di studiare campioni con singoli fotoni e di utilizzare normali laser per produrli.

Il setup consiste in un semplice interferometro che permette di misurare con precisione l'interferenza della luce. Nel circuito assemblato, un cristallo non lineare si trova sul percorso del laser. Coppie di fotoni entangled prodotti nel cristallo volano via con una certa angolazione. L'entanglement quantistico consiste di due o più particelle separate le cui proprietà fisiche sono così correlate che lo stato quantistico di ciascuna particella non può essere descritto indipendentemente.

"Grazie a questo progetto, possiamo misurare tempi di femtosecondi senza un laser a femtosecondi, utilizzando singoli fotoni, " ha spiegato il co-autore dell'articolo, uno studente laureato presso la Facoltà di Fisica dell'Università Statale Lomonosov di Mosca, Elizaveta Melik Gaykazyan.

Il campione di prova è posizionato all'interno di un braccio dell'interferometro. Un fotone della coppia entangled lo attraversa e colpisce il divisore di fascio, dove incontra la sua controparte, che è passato per il secondo braccio. Dopo di che, i fotoni cadono su uno dei due rivelatori, che reagiscono a singoli fotoni. Ciò rende possibile costruire un circuito di coincidenza:se entrambi i fotoni vanno allo stesso rivelatore, la coincidenza zero esiste; se vanno a rilevatori diversi, il valore di coincidenza è uno. Nel momento in cui il ritardo tra i due bracci diventa assolutamente identico, si verifica un'interferenza quantistica:la coincidenza scompare completamente, poiché i fotoni non cadranno mai su entrambi i rivelatori contemporaneamente.

Se il campione è impostato nel percorso dei fotoni, il modello di interferenza quantistica inizia a cambiare. In questo caso, le coppie di fotoni entangled che arrivano allo splitter diventano meno "identiche" che in una situazione senza campione. A causa di ciò, le statistiche di ricezione dei fotoni sui due rivelatori cambiano, e attraverso i cambiamenti statistici, i ricercatori possono giudicare la natura delle interazioni nella sostanza oggetto di studio, ad esempio, possono stimare il tempo di transizione dallo stato eccitato allo stato non eccitato.

Per il suo lavoro, Melik-Gaikazyan ha costruito una configurazione sperimentale, misurato il modello di interferenza con e senza il campione di prova, ottenuto dati sperimentali e analizzati. I ricercatori hanno testato e verificato il metodo su due campioni:un granato di alluminio-ittrio con neodimio e una matrice di nanoparticelle dielettriche.

"Il nuovo metodo di analisi di sostanze sconosciute può essere utilizzato in chimica, biologia, e scienza dei materiali, " Ha detto Melik-Gaykazyan. "Inoltre, può essere utile quando si crea un computer quantistico, e quando si cerca di capire come utilizzare la luce quantistica nella tecnologia dell'informazione."