從太陽冕中測量相干無線電和微波光子

核心概念

估計太陽大氣中刺激輻射產生的N個相同光子態|N⟩的產生率。顯示各種失去相干性的因素很小。提出通過反向HOM效應在地面上測量這些量子態。我們認為在幾種情況下信號是可檢測的,遠高於噪音。

摘要

本文首先提供了一系列刺激輻射過程的估計,並說明了如何處理不確定性。接下來,它確定了潛在的失去相干性的來源,並表明這些因素並不重要。然後,它討論了涉及的不確定性,並將微波到無線電波段的速率與光學、紫外線和X射線中給出的速率進行了比較。最後,它提出了如何基於HOM效應檢測這些量子態,特別關注微波範圍,這是本文的關鍵案例。

作者首先估算了太陽在不同頻率下產生的|1⟩態光子的速率。隨後,他們計算了這些|1⟩態光子在通過太陽冕時轉變為|2⟩、|3⟩和更高態的概率和速率。結果顯示,在每秒1平方米的面積上,可以檢測到數百萬個|2⟩態和數百到數十萬個|3⟩態,具體取決於頻率。

作者分析了可能導致相干性丟失的各種過程,如湯姆遜散射、塵埃散射和法拉第旋轉,並得出結論,這些過程對於無線電和微波光子來說都是可忽略的。

最後,作者提出了一種基於反向HOM效應的地面實驗方案,用於檢測這些量子態。他們估計,如果實驗設備足夠靈敏,就應該能夠輕易地檢測到這些多光子態。作者認為,這種測量可以揭示太陽冕的新信息,並在基礎物理層面上展示量子相干性在天文距離上的保持。

統計資料

在117 MHz頻率下,每秒有1.94 × 10^10個|1⟩態光子進入1平方米的面積。
在117 MHz頻率下,每秒有1.16 × 10^7個|2⟩態光子進入1平方米的面積。
在9.9112 GHz頻率下,每秒有1.54 × 10^9個|1⟩態光子進入1平方米的面積。
在9.9112 GHz頻率下,每秒有2.87 × 10^7個|2⟩態光子進入1平方米的面積。
在530.3 nm波長下,每秒有2.4 × 10^13個|1⟩態光子進入1平方米的面積,產生2062個|2⟩態光子。
在19.664 nm波長下,每秒有1.56 × 10^16個|1⟩態光子進入1平方米的面積,產生1957個|2⟩態光子。

引述

"因為這些光子的能量很低,它們在冕中主要通過湯姆遜散射與帶電粒子相互作用。"
"塵埃散射也不會造成相干性的破壞,因為這些光子的波長遠大於塵埃粒子的半徑。"
"法拉第旋轉只會導致整體的偏振旋轉,而不會破壞相干性。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Measuring Coherent Radio and Microwave Photons from the Solar Corona

by Liang Chen, ... 於 arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.20459.pdf

深入探究

如何利用這些量子相干光子的測量結果來更好地了解太陽冕的物理特性?

量子相干光子的測量結果可以提供有關太陽冕物理特性的寶貴信息。首先，這些光子來自太陽的刺激發射過程，能夠揭示太陽冕中不同元素的存在及其能量狀態。透過分析不同頻率的光子，科學家可以推斷出太陽冕的溫度、密度和組成，這些都是理解太陽活動和其對地球影響的關鍵因素。此外，量子相干性本身的測量可以幫助我們了解太陽冕中光子的傳播過程及其與周圍環境的相互作用，進一步揭示太陽磁場的結構和動態行為。這些測量結果不僅能夠增進我們對太陽的理解，還可能對其他恆星的研究提供參考。

是否存在任何可能破壞這些量子態相干性的未知過程?

根據目前的研究，已知的破壞量子態相干性的過程主要包括散射、法拉第旋轉等。然而，這些過程在無線電和微波頻段的光子中似乎影響不大，因為它們的平均自由程（MFP）相對較長，遠超過地球與太陽之間的距離。儘管如此，仍然存在一些未知的過程可能會影響量子相干性，例如在極端環境下的非線性效應或未被充分理解的粒子相互作用。這些未知過程的存在可能會在未來的研究中被發現，並可能對量子光子的相干性產生影響。因此，持續的觀測和實驗是必要的，以確保我們對這些量子態的理解是全面和準確的。

這種量子相干光子的檢測技術是否可以應用於其他天體,如恒星或星際介質?

是的，這種量子相干光子的檢測技術可以應用於其他天體，如恆星或星際介質。由於量子相干光子在宇宙中可以保持其量子性質，這使得它們成為研究遙遠天體的理想工具。透過類似的刺激發射過程，其他恆星的光子也可能產生可檢測的量子態，這將有助於我們了解這些恆星的物理特性和化學組成。此外，星際介質中的量子相干光子也可能提供有關其物理狀態和動力學的信息。這些技術的應用不僅能夠擴展我們對太陽系外天體的認識，還可能揭示宇宙中更廣泛的量子現象，進一步推動天文學和量子物理的交叉研究。