Η έρευνα προχωρά προς την παρατήρηση της κβαντικής παλινδρόμησης σε δύο διαστάσεις

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

“Φανταστείτε ότι πετάτε μια μπάλα του τένις. Η μπάλα αρχίζει να κινείται προς τα εμπρός με θετική ορμή. Εάν η μπάλα δεν χτυπήσει ένα εμπόδιο, μάλλον δεν περιμένετε να αλλάξει ξαφνικά κατεύθυνση και να επιστρέψει προς το μέρος σας σαν μπούμερανγκ”, σημειώνει. Bohnishikha Ghosh, διδακτορικός φοιτητής στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας. «Όταν περιστρέφετε μια τέτοια μπάλα δεξιόστροφα, για παράδειγμα, περιμένετε να συνεχίσει να περιστρέφεται προς την ίδια κατεύθυνση».

Ωστόσο, όλα γίνονται περίπλοκα όταν αντί για μπάλα, έχουμε να κάνουμε με σωματίδια στην κβαντομηχανική. “Στην κλασική μηχανική, ένα αντικείμενο έχει μια γνωστή θέση. Εν τω μεταξύ, στην κβαντική μηχανική και την οπτική, ένα αντικείμενο μπορεί να βρίσκεται σε αυτό που ονομάζεται 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 μπορούν να συμπεριφέρονται με εντελώς αντίθετο τρόπο από την προαναφερθείσα μπάλα του τένις: μπορεί να έχουν την πιθανότητα να πάνε προς τα πίσω ή να περιστρέφονται προς την αντίθετη κατεύθυνση για ορισμένες χρονικές περιόδους. «Οι φυσικοί αποκαλούν αυτό το φαινόμενο παλινδρόμηση», εξηγεί ο Bohnishikha Ghosh.

Εκφόρτιση στην οπτική

Η αντίστροφη ροή σε κβαντικά συστήματα δεν έχει παρατηρηθεί πειραματικά μέχρι τώρα. Αντίθετα, αυτό έχει επιτευχθεί με επιτυχία στην κλασική οπτική, χρησιμοποιώντας δέσμες φωτός. Η θεωρητική εργασία των Yakir Aharonov, Michael V. Berry και Sandu Popescu διερεύνησε τη σχέση μεταξύ της κβαντικής μηχανικής παλινδρόμησης και της ανώμαλης συμπεριφοράς των οπτικών κυμάτων σε τοπική κλίμακα.

Y. Eliezer et al. παρατηρήθηκε οπτική παλινδρόμηση συνθέτοντας ένα σύνθετο μέτωπο κύματος. Στη συνέχεια, στην ομάδα του Dr Radek Lapkiewicz, ο Dr 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 είναι πολύ εύκολο να δεις πόσο περίεργα γίνονται τα πράγματα όταν μπαίνεις στη σφαίρα των μετρήσεων τοπικής κλίμακας», λέει ο Δρ Anat Daniel.

Στην εργασία τους «Azimuthal Reflux in Light Carrying Orbital Angular Momentum», ερευνητές από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας έδειξαν το φαινόμενο της παλινδρόμησης σε δύο διαστάσεις. «Στη μελέτη μας, τοποθετήσαμε δύο στρεφόμενες δέσμες φωτός με τη φορά των δεικτών του ρολογιού 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, το οποίο αποτελείται από μια διάταξη μικροφακών τοποθετημένη μπροστά από έναν συμπληρωματικό αισθητήρα ημιαγωγού οξειδίου μετάλλου (CMOS), 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, μια θετική τοπική τροχιακή γωνιακή ορμή. Αυτή είναι η αζιμουθιακή παλινδρόμηση”, εξηγεί ο Bernard Gorzkowski, διδακτορικός φοιτητής στην κβαντική απεικόνιση. εργαστήριο. Εργαστήριο, Σχολή Φυσικής.

Αξίζει να αναφερθεί ότι οι δέσμες φωτός με εξάρτηση από αζιμουθιακή (σπειροειδή) φάση 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 μικροκλίμακα και νανοκλίμακα, του οποίου ο δημιουργός, Arthur Ashkin, έλαβε το βραβείο Νόμπελ φυσικής 2018. Τα οπτικά τσιμπιδάκια είναι επί του παρόντος χρησιμοποιείται για τη μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των κυτταρικών μεμβρανών ή των κλώνων DNA ή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ υγιών κυττάρων 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 κβαντικής μηχανικής παλινδρόμησης και των κυματικών υπερταλαντώσεων 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. Αυτό προβλέφθηκε για πρώτη φορά το 1990 από τους Yakir Aharonov και Sandu Popescu, οι οποίοι ανακάλυψαν ότι ειδικοί συνδυασμοί ημιτονοειδών κυμάτων παρήγαγαν περιοχές του συλλογικού κύματος που κινούνταν πιο γρήγορα από οποιοδήποτε από τα συστατικά του.

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

«Η παλινδρόμηση που δείξαμε 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», εξηγεί ο Bohnishikha Ghosh. Εκτός από αυτό, η δημοσίευση της ομάδας από τη Φυσική Σχολή του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας είναι ένα βήμα προς την κατεύθυνση της παρατήρησης της κβαντικής παλινδρόμησης σε δύο διαστάσεις, η οποία έχει αποδειχθεί θεωρητικά πιο ισχυρή από τη μονοδιάστατη παλινδρόμηση.