Forskning går mot att observera kvantebb i två dimensioner

By | November 22, 2023

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


Överlagringen av två ljusstrålar med olika amplituder som endast bär en negativ orbital vinkelmomentum (OAM) ger upphov till en lokalt positiv OAM i de mörka områdena. Denna kontraintuitiva effekt kallas “azimutalt tillbakaflöde”. (Konstverk: Anat Daniel, fakulteten för fysik, University of Warszawa). Kredit: Anat Daniel, Fysiska fakulteten, Warszawas universitet

× nära


Överlagringen av två ljusstrålar med olika amplituder som endast bär en negativ orbital vinkelmomentum (OAM) ger upphov till en lokalt positiv OAM i de mörka områdena. Denna kontraintuitiva effekt kallas “azimutalt tillbakaflöde”. (Konstverk: Anat Daniel, fakulteten för fysik, University of Warszawa). Kredit: Anat Daniel, Fysiska fakulteten, Warszawas universitet

Forskare från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa har lagt två medurs roterade ljusstrålar ovanpå för att skapa moturs snurr i de mörka områdena av den resulterande superpositionen. Resultaten av forskningen har publicerats i optik. Denna upptäckt har implikationer för studiet av ljus-materia-interaktioner och representerar ett steg mot att observera ett märkligt fenomen som kallas kvantreflux.

“Föreställ dig att du kastar en tennisboll. Bollen börjar röra sig framåt med positiv fart. Om bollen inte träffar ett hinder är det osannolikt att du förväntar dig att den plötsligt ändrar riktning och kommer tillbaka mot dig som en bumerang”, konstaterar han Bohnishikha Ghosh, doktorand vid fakulteten för fysik, University of Warszawa. “När du snurrar en boll medurs, till exempel, förväntar du dig att den ska fortsätta snurra i samma riktning.”

Allt blir dock komplicerat när det istället för en boll är partiklar i kvantmekaniken. “Inom klassisk mekanik har ett objekt en känd position. Samtidigt, inom kvantmekanik och optik, kan ett objekt vara i så kallad superposition, vilket innebär att en given partikel kan vara i två eller flera positioner samtidigt. tid.” förklarar Dr Radek Lapkiewicz, chef för Quantum Imaging Laboratory vid fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa.

Kvantpartiklar kan bete sig på ett helt motsatt sätt mot den tidigare nämnda tennisbollen: de kan ha sannolikhet att röra sig bakåt eller snurra i motsatt riktning under vissa tidsperioder. “Fysiker kallar detta fenomen för reflux”, säger Bohnishikha Ghosh.

Reflux i optik

Hittills har inget återflöde observerats experimentellt i kvantsystem. Istället har detta framgångsrikt uppnåtts inom klassisk optik, med hjälp av ljusstrålar. Teoretiska verk av Yakir Aharonov, Michael V. Berry och Sandu Popescu undersökte förhållandet mellan återflöde i kvantmekaniken och det anomala beteendet hos optiska vågor på lokala skalor.

Y. Eliezer et al. Han observerade optisk reflux genom att syntetisera en komplex vågfront. Senare, i gruppen av Dr Radek Lapkiewicz, Dr Anat Daniel et al. har demonstrerat detta fenomen i en dimension med hjälp av den enkla interferensen från två strålar.

“Vad jag tycker är fascinerande med det här arbetet är att man väldigt lätt inser hur konstigt det är när man går in i sfären av lokala mätningar”, säger Dr Anat Daniel.

I uppsatsen “Azimutal backflow in light carrying orbital angular momentum” visade forskare från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa tillbakaflödeseffekten i två dimensioner. “I vår studie lade vi två ljusstrålar roterade medurs och lokalt observerade moturs rotationer”, förklarar Dr. Lapkiewicz.

För att observera fenomenet använde forskarna en Shack-Hartman vågfrontssensor. Systemet, som består av en mikrolinsarray placerad framför en CMOS-sensor (komplementär metalloxidhalvledare), ger hög känslighet för tvådimensionella rumsmätningar.

“Vi undersöker superpositionen av två strålar som endast bär ett negativt omloppsrörelsemängd och observerar, i det mörka området av interferensmönstret, ett positivt lokalt omloppsrörelsemängd. Detta är den azimutala ebben”, säger Bernard Gorzkowski, doktorand vid Quantum Imaging . Laboratorium, Fysiska fakulteten.

Det är värt att nämna att azimutala (spiral) fasberoende ljusstrålar som bär orbital vinkelmomentum först genererades av Marco Beijersbergen et al. experimentellt 1993 med cylindriska linser.

Sedan dess har de hittat tillämpningar inom en mängd områden, såsom optisk mikroskopi eller optisk pincett, ett verktyg som möjliggör omfattande manipulering av objekt i mikro- och nanoskala, vars skapare, Arthur Ashkin, tilldelades Nobelpriset i fysik i 2018. För närvarande används optisk pincett för att studera de mekaniska egenskaperna hos cellmembran eller DNA-kedjor eller växelverkan mellan friska och cancerceller.

När fysiker tolkar Beethoven

Som forskarna betonar kan deras nuvarande demonstration tolkas som fassuperoscillationer. Förhållandet mellan ebb i kvantmekaniken och vågsuperoscillationer beskrevs första gången 2010 av professor Michael Berry, fysiker vid University of Bristol.

Superoscillation är ett fenomen som hänvisar till situationer där den lokala svängningen av en superposition är snabbare än dess snabbaste Fourier-komponent. Det förutspåddes första gången 1990 av Yakir Aharonov och Sandu Popescu, som upptäckte att speciella kombinationer av sinusvågor producerar regioner av den kollektiva vågen som rör sig snabbare än någon av dess beståndsdelar.

Michael Berry illustrerade i sin publikation “Faster than Fourier” kraften i superoscillation genom att visa att det i princip är möjligt att spela Beethovens nionde symfoni genom att endast kombinera ljudvågor med frekvenser under 1 Hertz (frekvenser så låga att det inte går att skulle göra). höras av en människa. Detta är dock mycket opraktiskt eftersom amplituden för vågorna i de superoscillerande områdena är mycket liten.

“Refluxen vi presenterar är en manifestation av snabba fasförändringar, vilket kan vara viktigt i applikationer som involverar ljus-materia-interaktioner, såsom optisk fångst eller design av ultraprecisa atomklockor”, säger Bohnishikha Ghosh. Bortsett från detta är publikationen av gruppen vid fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa ett steg i riktning mot att observera kvantebb i två dimensioner, vilket är teoretiskt mer robust än endimensionell ebb.

Mer information:
Bohnishikha Ghosh et al, Azimuthal reflux i ljusbärande orbital vinkelmomentum, optik (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.495710

Tidningsinformation:
optik

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *