Welche längste Zeit wurde jemals erreicht, um Licht in einem geschlossenen Volumen zu halten?

Wie lange war es möglich, Licht in einem geschlossenen Volumen mit verspiegelten Wänden zu halten?

Ich wäre am meisten an Ergebnissen mit leerem Volumen interessiert, aber Ergebnisse mit Festkörpervolumen könnten auch interessant sein.

Letztes Jahr erinnerte ich mich, gelesen zu haben, dass Wissenschaftler in der Lage waren, Licht für eine rekordverdächtige Zeit in einem Kristall einzufangen. Eine schnelle Suche zeigt, dass dieser Zeitraum eine rekordverdächtige Minute war .

Antworten (5)

Der von Ihnen beschriebene Aufbau ist im Wesentlichen ein optischer Hohlraum , und Sie fragen, was die längste Lebensdauer ist, die in einem solchen Hohlraum erreicht wurde.

In dieser Arbeit (auch hier beschrieben ) beschreiben S. Kuhr et. Al. beschreiben einen supraleitenden Hohlraum mit einer Lebensdauer von 130 ms. Es sind im Wesentlichen 2 gekrümmte Spiegel, die sich gegenüberstehen. Es arbeitet mit Mikrowellen (51 GHz), die eine lange Wellenlänge (6 mm) haben, und dies macht die Herstellung von Spiegelglattheit in dieser Größenordnung viel einfacher. Dieser Hohlraum ist eines der Schlüsselelemente dieser Labor-CQED-Experimente (Cavity Quantum Electrodynamics).

Ich weiß nicht, ob es das beste ist, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass es mehr oder weniger der Stand der Technik in diesem Bereich ist.

Warten Sie, schaffen es die 2 gekrümmten Spiegel, stabile Wege für den Strahl zu schaffen? Wie in, wird es sich bei einer leichten Abweichung glätten und 1000 Reflexionen später in der Kavität verbleiben. Meine Intuition ist, dass es keine Optik gibt, die das kann.
Ihre Intuition ist falsch, so ziemlich alles andere als ein planar-planarer Hohlraum kann stabil gemacht werden.
Nun, nichts anderes als ein planar-planarer Hohlraum, aber ja, die meisten optischen Hohlräume sind tatsächlich stabil. Manchmal kann ein Resonator absichtlich so konstruiert werden, dass er für einige Hochleistungslaseranwendungen leicht instabil ist, aber das ist ungewöhnlich. Im Wesentlichen wird jeder Bulk-Medium-Laser einen stabilen Resonator haben, bei dem mindestens einer der Spiegel gekrümmt ist.
Die Stabilitätsbedingungen werden hier en.wikipedia.org/wiki/Optical_cavity#Stability beschrieben und hier en.wikipedia.org/wiki/… berechnet .
Hervorragendes Buch zum Thema: Laser von Anthony Siegman.
Nur ein Update: Der in dieser Antwort beschriebene Hohlraum ist ein Schlüsselelement der Experimente von Serge Haroche (einer der beiden Empfänger des Nobelpreises für Physik im Jahr 2012).
Was ist mit weißen Flächen? Können sie das Licht so lange halten?
@FrédéricGrosshans wie funktioniert das angesichts der Tatsache, dass die Gesetze der Physik zeitumkehrbar sind?
@JanDvorak: Ich sehe den Zusammenhang mit der Zeitumkehrbarkeit nicht. Können Sie das näher erläutern?
@FrédéricGrosshans Nehmen wir an, Sie haben eine Reihe von Spiegeln, die bewirken, dass ein Lichtstrahl zu einem beliebig schmalen Strahl konvergiert. Jetzt sollte derselbe Spiegelsatz den Strahl immer noch konvergieren, auch wenn Sie den Strahl umkehren (es sei denn, ich liege hier falsch?). Das Zurückverfolgen eines Lichtstrahls sollte jedoch zu seiner Quelle führen, die sich außerhalb des Bereichs befindet, in den der Strahl gebündelt wird.
@JanDvorak: Ich sehe zwei Probleme mit Ihrer Argumentation: 1. Wenn Sie das Licht in einem Hohlraum halten, geht es darum, die Strahlbreite konstant zu halten, nicht darum, zu konvergieren oder zu divergieren. 2. Konvergieren = von breit nach schmal gehen. Wenn Sie den Strahl umkehren, geht er von schmal zu breit: er divergiert

Meine Antwort unterscheidet sich nicht wesentlich von den anderen, aber sie basiert auf meiner persönlichen Erfahrung. Seit mehreren Jahren verwende ich Cavity Ring-Down Spectrosopy (CRDS) – die Methode zur Messung der sehr schwachen Lichtabsorption, die darauf basiert, einen solchen optischen Hohlraum zu bauen und eine absorbierende Probe darin zu platzieren. Der Lichtimpuls durchdringt die Probe tausende Male und verstärkt so ihre Absorption erheblich. Für stark reflektierende Spiegel kann die von Colin K angegebene Formel angenähert werden als

τ 0 = L c ( 1 − R )
Hochmoderne Spiegel für CRDS im sichtbaren Bereich können ein Reflexionsvermögen von bis zu 99,999 % ( Link ) haben, was zu einer Abklingzeit von 167 μ s zum L = 0,5 m . In dieser Zeit legt das Licht 50000 km zurück, wird also 100000 Mal reflektiert.

PS: Dieses Experiment wird im Vakuum (unter 1 mbar) durchgeführt. Bei atmosphärischem Druck wird die Abklingzeit aufgrund von Rayleigh-Streuung (oder Absorption durch Staubpartikel) auf einige Mikrosekunden reduziert.

Die Lebensdauer eines Photons in einem Resonanzhohlraum ist angesichts der Hohlraumlänge, der internen Verluste und des Spiegelreflexionsvermögens ziemlich trivial zu berechnen. Wir wechseln kurz zu einer Wellenbeschreibung und lassen es zu L sei die Hohlraumlänge, R 1 und R 2 sei das Reflexionsvermögen der Spiegel 1 bzw. 3, und T ich der Verlust im Hohlraummedium sein. Offensichtlich nimmt die Intensität eines Lichtimpulses in der Kavität exponentiell ab und die Lebensdauer τ c (definiert durch die 1 e Schwellenwert) kann trivial berechnet werden

τ c = − 2 L c ln ⁡ [ R 1 R 2 ( 1 − T ich ) 2 ]

Für einen Resonator von einem Meter ohne interne Verluste und zu 99 % reflektierende Spiegel ergibt dies eine Lebensdauer von ungefähr 330 ns.

Es gibt viel längere Hohlräume, und das Reflexionsvermögen von dielektrischen Spiegeln kann einige weitere "9" haben, die angehängt sind. Zum Beispiel ist der LIGO-Hohlraum etwas in der Größenordnung von einem Kilometer, und wenn wir vorgeben, dass die Spiegel zu 99,999 % reflektierend sind (das sind drei "9" nach dem Komma) 1 , erhalten wir eine Lebensdauer von 0,333 Sekunden (wow).

Die Lebensdauer steigt mit dem Spiegelreflexionsvermögen schnell an, sobald Sie über 99 % erreichen. Sie werden dies also sehen, wenn Sie diese Berechnung mit wiederholen R = 99,9999 % , du erhältst τ c = 3.333 Sekunden. Das ist eine absurd lange Zeit, aber natürlich wird auch diese vierte „9“ hinter dem Komma langsam wirklich unrealistisch.

1: Dies ist sehr viel eine Schätzung der Größenordnung. Ich bin mir der genauen Länge des LIGO-Resonators nicht sicher, und tatsächlich sind die Spiegel nicht hochreflektierend, weil sie einen Trick namens "Power Recycling" ausführen, der ihnen am Ende sowieso eine längere Photonenlebensdauer verleiht. Allerdings sind 99,999 % eine beeindruckende, wenn auch NICHT unrealistische Zahl für einen modernen hochwertigen dielektrischen Spiegel.

Die ursprünglichen LIGO-Armhöhlen waren etwa 4 km lang (3995 m). Die einzelnen Armkavitäten hatten Spiegel mit Leistungstransmissivitäten T1 = 3e-2 und T2 = 10e-6 und einer Speicherzeit von etwa 1/(85 Hz). Die kombinierte optische Anlage mit Power-Recycling hatte eine Speicherzeit von etwa 1/(3 Hz).
Was ist mit perfekten Spiegeln? ( extremetech.com/computing/… )

Die Photonenlebensdauer in den LIGO- Interferometern beträgt etwa 1 s. Sie verwenden gekoppelte Hohlräume, um die Lagerzeit so hoch zu bekommen; Die Michelson-Arme bestehen aus Fabry-Perot-Hohlräumen, und ein zusätzlicher Spiegel an der hellen Öffnung des Michelson (der Stromrückgewinnungsspiegel) bildet mit ihnen einen gekoppelten Hohlraum. Die Wellenlänge des Lichts beträgt 1064 nm.

Alle diese Antworten beziehen sich nur auf die statistische Speicherung von Photonen in einem optischen Resonator. Man könnte zum Beispiel nicht ein einzelnes Photon auswählen, es für einige Zeit speichern und es dann später verwenden. Dies ist die Art von Speicher, die Sie für Quantencomputing mit Photonen benötigen würden.

Ein Schema der Advanced LIGO-Interferometer http://www.bssaonline.org/content/99/2B/980/F2.large.jpg

Clevere Antwort! Ich bin mir sicher, dass das OP so etwas nicht im Sinn hat, aber es ist sehr interessant und wird außerdem sofort als plausibel angesehen: 1s-Lebenszeit impliziert eine Kavität Q -Faktor von 37500, was gut innerhalb der fortschrittlichen optischen Technologien liegt, die in LIGO verwendet werden.

Dies sollte ein Kommentar sein, aber es wird zu lang.

Bearbeiten: "Ich hatte gesagt: Ich glaube nicht, dass jemand ein solches Experiment entworfen und durchgeführt hat, also könnten Sie es als Herausforderung betrachten und es selbst machen." Darin habe ich mich geirrt, da ein Experiment von Frederic beschrieben wird.

Man kann einige Schätzungen anstellen: Reflektivität wird eine Rolle spielen. Man kann stark reflektierende Spiegel herstellen, aber es findet immer noch eine gewisse Absorption statt und die Lichtgeschwindigkeit ist hoch. Selbst ein Verlust von 10^-5 pro Zug erhöht die Absorption in einer Sekunde schnell. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 3 * 10 ^ 10 cm / Sek. In einer 10-cm-Box sind das also viele Treffer pro Sekunde.

Zusätzlich wird jeder Treffer durch Umkehrung der Richtung des Photons etwas Impuls auf die Atome/Kristallgitter der Oberfläche der Box übertragen und somit wird es eine Wellenlängenerhöhung geben, die es schließlich zu Infrarot und Unsichtbarkeit bringt. Dies erfordert Zahlen und Berechnungen, aber aufgrund der hohen Anzahl von Treffern pro Sekunde gehe ich davon aus, dass die Zeit sehr kurz sein wird, in der die anfänglichen Photonen vollständig von einer perfekten Blackbox absorbiert werden.

Nein, die Impulsübertragung wird nichts beeinflussen, denn wenn ein Photon etwas Impuls auf die Box an einer Wand überträgt, erhält es den gleichen Impuls, wenn es von der gegenüberliegenden Wand reflektiert würde. Der auf die Box übertragene Gesamtimpuls ist Null (im Gegensatz zum Druck). Aus dem gleichen Grund kühlt sich ein Gas in einer Box nicht von selbst ab.
In der Cavity-Ringdown-Spektroskopie wird dieses Prinzip für hochempfindliche Absorptionsmessungen genutzt. Der Zerfall ist exponentiell (es handelt sich also nicht streng um "Lichteinfang") mit einer charakteristischen Zeit von etwa 100 μ s für sichtbares Licht.
@Anixx hmm. Wenn sich Lambda ändert, ändert sich nu und dies bedeutet, dass Energie auf die Box übertragen wird (E = h * nu). Dies kann nicht von der gegenüberliegenden Wand zurückgegeben werden. Die Energieerhaltung ist so stark wie die Impulserhaltung.
@gigacyan Du könntest dann eine Antwort auf die Frage geben, wenn du einen Link oder so hast und erklären, wie die Messung durchgeführt wurde.
Lambda nimmt zu, wenn es von einer Wand reflektiert wird, und ab, wenn es von der anderen reflektiert wird. Sie haben vergessen, dass Momentum ein Vektor und kein Skalarwert ist.
@Anixx und du vergisst, dass Energie ein Skalarwert ist. Die Energie, die an einer Wand verloren geht, kann nicht an der anderen gewonnen werden.
Die Leute scheinen eine seltsame Ansicht über Energieerhaltung zu haben, wenn die negativen Stimmen mit Annix übereinstimmen, dass die Energie des Photons nicht beeinflusst wird, wenn sein Lambda zunimmt. Ich würde gerne eine Begründung dafür sehen, weil ich fest davon überzeugt bin, dass die Energieerhaltung auch für Photonen gilt. Wenn es auf die gegenüberliegende Wand aufprallt, ändert es die Richtung, verliert aber ein weiteres Delta (E) und erhöht die Wellenlänge weiter.
Hmm, sind Sie sicher, dass sich die Wellenlänge ändert? Ich habe das nicht ganz durchdacht, aber meine Intuition sagt mir, dass sich die Wellenlänge ändern sollte, wenn sich der Spiegel bewegt. Die Amplitude der Welle ändert sich, aber warum ihre Frequenz?
Anna V. Warum bedeutet Energieerhaltung Ihrer Meinung nach, dass das Photon immer Energie an die Wand abgibt? Die Energie wird an das Photon zurückgegeben, wenn es von der gegenüberliegenden Wand zurückprallt.
@Alexander Denken Sie an Feynman-Diagramme, einige werden elastisch sein, dann wird sich die Wellenlänge nicht ändern, einige werden unelastisch sein, dann wird sich die Wellenlänge ändern, und es ist der Absorptionsteil von 1_ .99999. im kollektiven Wellenmodus. Es gibt so viele Treffer in einer Sekunde, dass die Wellenlänge für diejenigen, die dem unelastischen Querschnitt entsprechen, immer größer wird. Unelastisch bedeutet, dass Energie an das Atom/den Kristall/was auch immer verloren geht. Das kann man nicht zurückgewinnen.
anna v Bitte geben Sie ein Beispiel für ein reales System, in dem dieser Effekt nicht durch Absorption in den Schatten gestellt wird. Oder bearbeiten Sie, um deutlich zu machen, dass Sie von Energieverlust an den Wänden sprechen, nicht von makroskopischer Bewegung der Box.
@zephyr Nein. Wenn es sich um eine unelastische Streuung handelt, geht die Energie verloren, es ist kein Tennisspiel. Die Zahl 1-0,99999 für die Absorption in dem Zitat, das ich gemacht habe, bedeutet, dass durchschnittlich 1 von 10^5 Streuungen unelastisch ist und es weitere 10^4 Streuungen pro Sekunde gibt.
Welche längste Zeit wurde jemals erreicht, um Licht in einem geschlossenen Volumen zu halten?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v