Η έρευνα σημειώνει πρόοδο προς την παρατήρηση της κβαντικής άμπωτης σε δύο διαστάσεις

Ερευνητές από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας επέστρεψαν δύο δέσμες φωτός που περιστρέφονταν δεξιόστροφα για να δημιουργήσουν αριστερόστροφες στροφές στις σκοτεινές περιοχές της προκύπτουσας υπέρθεσης. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο Οπτική. Αυτή η ανακάλυψη έχει επιπτώσεις στη μελέτη των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης και αντιπροσωπεύει ένα βήμα προς τα εμπρός προς την παρατήρηση ενός περίεργου φαινομένου που είναι γνωστό ως κβαντική άμπωτη.

“Φανταστείτε να πετάτε μια μπάλα του τένις. Η μπάλα αρχίζει να προχωρά με θετική ορμή. Εάν η μπάλα δεν χτυπήσει ένα εμπόδιο, δύσκολα θα περιμένατε να αλλάξει ξαφνικά κατεύθυνση και να επιστρέψει κοντά σας σαν μπούμερανγκ”, παρατηρεί ο Bohnishikha Ghosh. υποψήφιος διδάκτορας στη Φυσική Σχολή του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας. «Όταν γυρνάς μια μπάλα όπως αυτή δεξιόστροφα, για παράδειγμα, περιμένεις εξίσου να συνεχίσει να περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση».

Ωστόσο, όλα γίνονται περίπλοκα όταν, αντί για τη σφαίρα, στην κβαντομηχανική έχουμε να κάνουμε με σωματίδια. “Στην κλασική μηχανική, ένα αντικείμενο έχει μια γνωστή θέση. Εν τω μεταξύ, στην κβαντομηχανική και την οπτική, ένα αντικείμενο μπορεί να βρίσκεται στη λεγόμενη υπέρθεση, που σημαίνει ότι ένα δεδομένο σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο ή περισσότερες θέσεις ταυτόχρονα.” εξηγεί ο Δρ Radek Lapkiewicz, επικεφαλής του Εργαστηρίου Κβαντικής Απεικόνισης στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας.

Τα κβαντικά σωματίδια μπορεί να συμπεριφέρονται εντελώς αντίθετα από την παραπάνω μπάλα του τένις: μπορεί να κινούνται προς τα πίσω ή να περιστρέφονται προς την αντίθετη κατεύθυνση κατά τη διάρκεια ορισμένων χρονικών περιόδων. «Οι φυσικοί ονομάζουν αυτό το φαινόμενο παλινδρόμηση», διευκρινίζει ο Bohnishikha Ghosh.

Reflow στην οπτική

Μέχρι στιγμής, η αντίστροφη ροή σε κβαντικά συστήματα δεν έχει παρατηρηθεί πειραματικά. Αντίθετα, δημιουργήθηκε με επιτυχία στην κλασική οπτική, χρησιμοποιώντας δέσμες φωτός. Θεωρητικές εργασίες των Yakir Aharonov, Michael V. Berry και Sandu Popescu έχουν εξερευνήσει τη σχέση μεταξύ της αντίστροφης ροής στην κβαντική μηχανική και της ανώμαλης συμπεριφοράς των οπτικών κυμάτων σε τοπικές κλίμακες.

Y. Eliezer et al. παρατήρησε την οπτική αντίστροφη ροή συνθέτοντας ένα πολύπλοκο μέτωπο κύματος. Στη συνέχεια, στην ομάδα του Δρ. Radek Lapkiewicz, ο Δρ. Anat Daniel et al. απέδειξε αυτό το φαινόμενο σε μία διάσταση χρησιμοποιώντας την απλή παρεμβολή δύο ακτίνων.

«Αυτό που βρίσκω συναρπαστικό σε αυτό το έργο είναι ότι αντιλαμβάνεσαι πολύ εύκολα πόσο περίεργα γίνονται τα πράγματα όταν μπαίνεις στη σφαίρα των μετρήσεων τοπικής κλίμακας», λέει ο Δρ Anat Daniel.

Στην εργασία τους «Αζιμουθιακή άμπωτη σε τροχιακή γωνιακή ορμή που φέρει φως», ερευνητές από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας έδειξαν την επίδραση της άμπωτης σε δύο διαστάσεις. «Στη μελέτη μας, τοποθετήσαμε δύο δέσμες φωτός που περιστρέφονταν δεξιόστροφα και παρατηρήσαμε τοπικά αριστερόστροφες στροφές», εξηγεί ο Δρ Lapkiewicz.

Για να παρατηρήσουν το φαινόμενο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν αισθητήρα μετώπου κύματος Shack-Hartman. Το σύστημα, που αποτελείται από μια σειρά μικροφακών τοποθετημένων μπροστά από έναν αισθητήρα CMOS (συμπληρωματικό ημιαγωγό οξειδίου μετάλλου), παρέχει υψηλή ευαισθησία για δισδιάστατες χωρικές μετρήσεις.

“Μελετήσαμε την υπέρθεση δύο ακτίνων που φέρουν μόνο αρνητική τροχιακή γωνιακή ορμή και παρατηρήσαμε, στη σκοτεινή περιοχή του σχεδίου παρεμβολής, θετική τοπική τροχιακή γωνιακή ορμή. Αυτή είναι η αζιμουθιακή άμπωτη”, λέει ο Bernard Gorzkowski, διδακτορικός φοιτητής στο Quantum Imaging. Εργαστήριο, Σχολή Φυσικής.

Αξίζει να αναφερθεί ότι οι δέσμες φωτός με εξάρτηση αζιμουθιακής φάσης (σπείρα) που φέρουν τροχιακή γωνιακή ορμή δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά από τους Marco Beijersbergen et al. πειραματικά το 1993 χρησιμοποιώντας κυλινδρικούς φακούς.

Έκτοτε, έχουν βρει εφαρμογές σε πολλούς τομείς, όπως το οπτικό μικροσκόπιο ή το οπτικό τσιμπιδάκι, ένα εργαλείο που επιτρέπει τον πλήρη χειρισμό αντικειμένων σε μικρο- και νανοκλίμακα, του οποίου ο δημιουργός, Arthur Ashkin, τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής 2018. Οπτικά Τα τσιμπιδάκια χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για τη μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των κυτταρικών μεμβρανών ή των κλώνων DNA ή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ υγιών και καρκινικών κυττάρων.

Όταν οι φυσικοί παίζουν τον Μπετόβεν

Όπως επισημαίνουν οι επιστήμονες, η τρέχουσα επίδειξή τους μπορεί να ερμηνευθεί ως υπερταλαντώσεις εντός φάσης. Η σύνδεση μεταξύ της άμπωτης στην κβαντική μηχανική και των υπερταλαντώσεων στα κύματα περιγράφηκε για πρώτη φορά το 2010 από τον καθηγητή Michael Berry, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ.

Η υπερταλάντωση είναι ένα φαινόμενο που αναφέρεται σε καταστάσεις στις οποίες η τοπική ταλάντωση μιας υπέρθεσης είναι ταχύτερη από την ταχύτερη συνιστώσα Fourier. Προβλέφθηκε για πρώτη φορά το 1990 από τους Yakir Aharonov και Sandu Popescu, οι οποίοι ανακάλυψαν ότι ειδικοί συνδυασμοί ημιτονοειδών κυμάτων παράγουν περιοχές του συλλογικού κύματος που κινούνται ταχύτερα από οποιοδήποτε στοιχείο.

Ο Michael Berry, στη δημοσίευσή του “Faster than Fourier”, απεικόνισε τη δύναμη της υπερταλάντωσης δείχνοντας ότι, κατ’ αρχήν, είναι δυνατό να παιχτεί η Ένατη Συμφωνία του Μπετόβεν συνδυάζοντας μόνο ηχητικά κύματα με συχνότητες κάτω από 1 Hertz, συχνότητες τόσο χαμηλές που δεν μπορούν να μπορεί να ακουστεί. να ακουστεί από έναν άνθρωπο. Αυτό ωστόσο είναι πολύ ανέφικτο επειδή το πλάτος των κυμάτων στις υπερταλαντωτικές περιοχές είναι πολύ μικρό.

«Η ροή επιστροφής που παρουσιάσαμε είναι μια εκδήλωση γρήγορων αλλαγών φάσης, οι οποίες θα μπορούσαν να είναι σημαντικές σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης, όπως η οπτική παγίδευση ή ο σχεδιασμός εξαιρετικά ακριβών ατομικών ρολογιών», λέει ο Bohnishikha Ghosh. Εκτός από αυτά, η δημοσίευση από την ομάδα από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας είναι ένα βήμα προς την κατεύθυνση της παρατήρησης της κβαντικής αντίστροφης ροής σε δύο διαστάσεις, η οποία θεωρητικά αποδείχθηκε ότι ήταν πιο ισχυρή από τη μονοδιάστατη αντίστροφη ροή.