Kvantboomerangen: den nya vridna berättelsen om ljus

By | November 23, 2023

Forskare vid universitetet i Warszawa har skapat moturs snurr av ljus genom att överlagra två medurs roterade strålar, vilket visar potentialen för att observera tvådimensionell kvantebb. Detta framsteg, viktigt i studiet av kvantmekanik, har tillämpningar inom optisk mikroskopi och precisionstidtagning.

Forskare har manipulerat ljus för att visa kvantebb, ett steg mot att förstå komplex kvantmekanik och dess praktiska tillämpningar inom precisionsteknik.

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 den prestigefyllda tidskriften 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 några hinder är det osannolikt att den plötsligt ändrar riktning och kommer tillbaka mot dig som en bumerang”, säger Bohnishikha Ghosh, doktorand vid fakulteten för fysik vid Warszawas universitet. “När du snurrar en boll medurs, till exempel, förväntar du dig att den ska fortsätta snurra i samma riktning.”

Kvantmekanikens komplexitet

Allt blir dock komplicerat när det istället för en boll är partiklar i kvantmekaniken. ”Inom klassisk mekanik har ett föremål 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”, förklarar Dr Radek Lapkiewicz, chef för Quantum Imaging Laboratory. från University of Pennsylvania. 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.

Azimutal ebb i ljus som bär orbital rörelsemängd

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”. Kredit: Anat Daniel, Fysiska fakulteten, Warszawas universitet

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 den aktuella publikationen “Azimutal reflux in light carrying orbital angular momentum”, som dök upp i den prestigefyllda tidskriften optikForskare från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa har visat 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 undersökte superpositionen av två strålar som endast bär negativt rörelsemängd i omloppsbanan och observerade, i det mörka området av interferensmönstret, ett positivt lokalt rörelsemängd i omloppsbanan. Det här är azimutal reflux, säger Bernard Gorzkowski, doktorand vid Quantum Imaging Laboratory vid Fysiska fakulteten.

Historisk kontext och tillämpningar

Det är värt att nämna att Marco Beijersbergen först genererade azimutala (spiral) fasberoende ljusstrålar som bär orbitalt vinkelmoment. et al. experimentellt 1993 med cylindriska linser. Sedan dess har de hittat tillämpningar inom många områden, såsom optisk mikroskopi eller optisk pincett, ett verktyg som möjliggör omfattande manipulering av objekt vid en mikro- och

När fysiker rör vid Beethoven

Som forskarna betonar kan deras nuvarande demonstration tolkas som fassuperoscillationer. Kopplingen mellan ebb i kvantmekaniken och superoscillationer i vågor beskrevs första gången 2010 av professor Michael Berry, fysiker vid

Referens: “Azimutal ebb i ljus som bär orbital vinkelmomentum” av Bohnishikha Ghosh, Anat Daniel, Radek Lapkiewicz och Bernard Gorzkowski, 19 september 2023, optik.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.495710

Detta arbete stöddes av Polish Science Foundation inom ramen för FIRST TEAM-projektet ‘Espatiotemporal (function(d,s,id){var js,fjs=d.getElementsByTagName(s)[0];if(d.getElementById(id))return;js=d.createElement(s);js.id=id;js.src="https://connect.facebook.net/en_US/sdk.js#xfbml=1&version=v2.6";fjs.parentNode.insertBefore(js,fjs);}(document,'script','facebook-jssdk'));

Leave a Reply

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