Введение

Квантовый разрыв Кузика — это расхождение между максимальным значением нелинейной оптической восприимчивости, допустимым квантовой механикой, и наивысшими значениями, реально наблюдаемыми в реальных молекулах. Наивысшее теоретически возможное значение известно как предел Кузика, названный в честь его первооткрывателя, профессора Марка Г. Кузика из Вашингтонского государственного университета.

Предыстория

В 2000 году профессор Марк Г. Кузик из Вашингтонского государственного университета рассчитал фундаментальный предел нелинейной оптической восприимчивости молекул. Нелинейная восприимчивость – это мера интенсивности взаимодействия света с веществом. Следовательно, эти результаты можно использовать для прогнозирования максимальной достижимой эффективности различных типов оптических устройств. Например, теорию Кузика можно применить для оценки эффективности манипулирования оптической информацией в оптическом волокне (основанной на эффекте Керра), что, в свою очередь, связано с объемом информации, который может обрабатывать волоконно-оптическая система. По сути, пропускная способность интернета тесно связана с пределом Кузика. Любопытно, что все измеренные на сегодняшний день молекулы демонстрируют значения, примерно в 30 раз ниже предела Кузика. Этот разрыв в 30 раз между фундаментальным пределом и лучшими молекулами называется квантовым разрывом Кузика. Причины этого разрыва никому не известны, однако нет оснований полагать, что он носит фундаментальный характер. Поэтому вполне вероятно, что новые подходы к синтетической химии позволят создавать более эффективные молекулы. Хотя этот разрыв можно преодолеть, предел Кузика – нет. Учитывая, что предел Кузика напрямую основан на квантовой механике, его превышение означало бы наличие проблем в квантовой теории.

Приложения

Недавно исследователи используют нанотехнологии для соединения молекул друг с другом с целью увеличения нелинейной восприимчивости. Поскольку соединенные молекулы содержат больше электронов, коллективные движения этих электронов приводят к усиленному нелинейному отклику. Так как расчеты показывают, что предел Кузика растет быстрее, чем линейно, оптимальным является соединение максимально возможного количества молекул. Исследователи создали материал из взаимосвязанных фуллеренов, который, по-видимому, преодолевает квантовый разрыв Кузика. Однако, если учесть все электроны, то разрыв может оказаться не преодоленным. В любом случае, абсолютное значение достигнутой нелинейности впечатляет, и подобные материалы в будущем могут значительно ускорить работу интернета. Нелинейная восприимчивость – это фундаментальное свойство материала, лежащее в основе множества других важных применений. Нелинейные оптические материалы могут использоваться для преобразования света в более короткие (синие) длины волн, которые можно сфокусировать в пятно меньшего размера (минимально возможный размер пучка пропорционален длине волны). Следовательно, источники света с более короткой длиной волны позволят создать оптические носители информации с более высокой плотностью записи (например, DVD и CD). Другие области применения включают настраиваемые источники света, системы распознавания изображений и адаптивную оптику. Расчеты Кузика можно использовать для прогнозирования поведения оптических устройств, для помощи химикам-синтетикам в создании более эффективных материалов и для углубленного понимания взаимодействия света с веществом. Этот процесс ведет к множеству интересных достижений в новых подходах к синтезу материалов, что должно сделать возможным создание новых типов фотонных устройств. Возможно, самое важное, что предел Кузика можно использовать для расчета внутренней гиперполяризуемости – масштабно-инвариантной величины, позволяющей сравнивать молекулы разных размеров.