Kuzyk kvantgap

Kuzyk- kvantgapet är en diskrepans mellan det maximala värdet av den olinjär-optiska känsligheten som tillåts av kvantmekaniken och de högsta värdena som faktiskt observerats i verkliga molekyler . Det högsta möjliga värdet (i teorin) är känt som Kuzyk-gränsen , efter dess upptäckare professor Mark G. Kuzyk från Washington State University .

Bakgrund

År 2000 beräknade professor Mark G. Kuzyk vid Washington State University den grundläggande gränsen för molekylers olinjär-optiska känslighet. Den olinjära känsligheten är ett mått på hur starkt ljus interagerar med materia. Som sådana kan dessa resultat användas för att förutsäga den maximalt uppnåbara effektiviteten för olika typer av optiska enheter.

Till exempel kan Kuzyks teori användas för att uppskatta hur effektivt optisk information kan manipuleras i en optisk fiber (baserat på Kerr- effekten ), vilket i sin tur är relaterat till mängden information som ett fiberoptiskt system kan hantera. I själva verket är hastighetsgränsen för internet intimt kopplad till Kuzyk-gränsen.

Ett märkligt fynd är att alla molekyler som någonsin har mätts tycks falla under Kuzyk-gränsen med ungefär en faktor 30. Detta gap på faktor trettio mellan den fundamentala gränsen och de bästa molekylerna kallas Kuzyk-kvantgapet. Ingen förstår orsaken till denna klyfta, men det finns ingen anledning att tro att den är av grundläggande karaktär. Det är därför troligt att nya metoder för syntetisk kemi kan hitta sätt att göra bättre molekyler. Även om gapet är brytbart, är det inte Kuzyk-gränsen. Med tanke på att Kuzyk-gränsen är baserad direkt på kvantmekanik , skulle ett brott mot gränsen innebära att det finns problem med kvantteorin.

Ansökningar

Nyligen har forskare använt nanoteknik för att länka samman molekyler för att öka den olinjära känsligheten. Eftersom de anslutna molekylerna har fler elektroner, ger kollektiva rörelser av dessa elektroner ett förbättrat olinjärt svar. Eftersom beräkningar visar att Kuzyk-gränsen ökar snabbare än linjärt är det bäst att länka ihop så många molekyler som möjligt. Forskare har gjort ett material av sammankopplade fullerener som verkar bryta Kuzyks kvantgap. Men om alla elektroner räknas korrekt, kanske gapet inte har brutits. I båda fallen är det absoluta värdet av den uppnådda olinjäriteten imponerande, och den här typen av material kan en dag överbelasta internet.

Den olinjära känsligheten är den grundläggande materiella egenskapen som ligger till grund för många andra viktiga tillämpningar. Icke-linjära optiska material kan användas för att omvandla ljus till kortare (blåare) våglängder, som kan fokuseras till en mindre punktstorlek (minsta möjliga strålstorlek är proportionell mot våglängden.) Ljuskällor med kortare våglängd skulle därför ge optiska inspelningsmedia med högre densitet (som DVD och CD). Andra applikationer inkluderar inställbara ljuskällor, bildigenkänningssystem och adaptiv optik.

Kuzyks beräkningar kan användas för att förutsäga beteendet hos optiska enheter, vägleda syntetiska kemister att tillverka bättre material och för att få en djupare förståelse för hur ljus interagerar med materia. Denna process leder till många intressanta framsteg inom nya materialsyntesparadigm, som borde göra nya typer av fotoniska enheter möjliga.

Kanske viktigast av allt är att Kuzyk-gränsen kan användas för att beräkna den inneboende hyperpolariserbarheten , som är en skalinvariant kvantitet som kan användas för att jämföra molekyler av olika storlekar.

Se även

• Azobensen
• Stilbene

Källor och anteckningar

• MG Kuzyks uppsats från januari 2007
• MG Kuzyk, "Fundamentala gränser för tredje ordningens molekylära mottaglighet," Optics Letters 25 , 1183 (2000).
• MG Kuzyk, "Physical Limits on Electronic Nolinar Molecular Susceptibilities," Physical Review Letters 85 , 1218 (2000).
• MG Kuzyk, "Quantum Limits of the Hyper-Rayleigh scattering susceptibilities," IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics 7 , 774 (2001).
• MG Kuzyk, "Fundamental Material Limitations on Optical Devices," Circuits and Devices 19 (5), 8 (2003).
• MG Kuzyk "Fundamentala gränser för två-fotonabsorptionstvärsnitt," Journal of Chemical Physics 119 , 8327 (2003).
• MG Kuzyk, "Fundamental Limits of Nolinear Susceptibilities," Optics and Photonic News , december, sidan 26 (2003). (Specialnummer "Optics in 2003") sammanfattar 29 av "den mest spännande forskningen som har dykt upp under de senaste 12 månaderna "av spetsforskning."
• Kakoli Tripathy, Javier Perez Moreno, Mark G. Kuzyk, Benjamin J. Coe, Koen Clays och Anne Myers Kelley, "Why Hyperpolarizabilities Fall Short of the Fundamental Quantum Limits," J. Chem. Phys. 121 , 7932 (2004).
• Washington State Universitys nyhetstjänstartikel Whoosh! Goes the Internet: International Research Team Blazes the Optical Trail with Record-Setting Molecules publicerad 2 januari 2007
• nationella geografiska
• MIT Nyheter
• IEEE Kanada nyhetsbrev
• Laser Focus World
• Ottawa-medborgaren
• SCI-TECH Nyheter