Исследователи с физического факультета Варшавского университета совместили два световых луча, скрученные по часовой стрелке, чтобы создать закручивание против часовой стрелки в темных областях полученной суперпозиции. Результаты исследования опубликованы в журнале Optica. Это открытие имеет значение для изучения взаимодействий света и материи и представляет собой шаг на пути к наблюдению своеобразного явления, известного как квантовый обратный поток.
«Представьте, что вы бросаете теннисный мяч. Мяч начинает двигаться вперед с положительным импульсом. Если мяч не сталкивается с препятствием, вы вряд ли ожидаете, что он внезапно изменит направление и вернется к вам бумерангом», — отмечает Бохнишиха Гош, докторант физического факультета Варшавского университета. «Например, когда вы вращаете такой шар по часовой стрелке, вы точно так же ожидаете, что он будет продолжать вращаться в том же направлении».
Однако все усложняется, когда вместо шара мы имеем дело с частицами в квантовой механике . «В классической механике объект имеет известное положение. Между тем в квантовой механике и оптике объект может находиться в так называемой суперпозиции, что означает, что данная частица может находиться в двух или более положениях одновременно», объясняет доктор Радек Лапкевич, заведующий лабораторией квантовой визуализации физического факультета Варшавского университета.
Квантовые частицы могут вести себя совершенно противоположно вышеупомянутому теннисному мячу — у них может быть вероятность двигаться назад или вращаться в противоположном направлении в течение некоторых периодов времени. «Физики называют такое явление обратным потоком», — уточняет Бохнисиха Гош.
Обратный поток в оптике
Обратный поток в квантовых системах экспериментально до сих пор не наблюдался. Вместо этого это было успешно достигнуто в классической оптике с использованием лучей света. Теоретические работы Якира Ааронова, Майкла В. Берри и Санду Попеску исследовали связь между обратным потоком в квантовой механике и аномальным поведением оптических волн в локальных масштабах.
Ю. Элиезер и др. наблюдал оптический обратный поток путем синтеза сложного волнового фронта. Впоследствии в группе доктора Радека Лапкевича доктор Анат Даниэль и др. продемонстрировали это явление в одном измерении, используя простую интерференцию двух лучей.
«Что мне кажется интересным в этой работе, так это то, что вы очень легко понимаете, насколько странными становятся вещи, когда вы входите в царство измерений локального масштаба», — говорит доктор Анат Дэниел.
В своей статье «Азимутальный обратный поток в орбитальном угловом моменте, несущем свет», исследователи с физического факультета Варшавского университета показали эффект обратного потока в двух измерениях. «В нашем исследовании мы наложили два луча света, закрученных по часовой стрелке, и локально наблюдаемое закручивание против часовой стрелки», — объясняет доктор Лапкевич.
Чтобы наблюдать это явление, исследователи использовали датчик волнового фронта Шака-Хартмана. Система, состоящая из массива микролинз, размещенного перед КМОП-датчиком (дополнительный металлооксидный полупроводник), обеспечивает высокую чувствительность для двумерных пространственных измерений.
«Мы исследовали суперпозицию двух лучей, несущих только отрицательный орбитальный угловой момент, и наблюдали в темной области интерференционной картины положительный локальный орбитальный угловой момент. Это азимутальный обратный поток», — говорит Бернард Горжковски, аспирант в области квантовой визуализации. Лаборатория физического факультета.
Стоит отметить, что световые пучки с азимутальной (спиральной) фазовой зависимостью, несущие орбитальный угловой момент, были впервые сгенерированы Марко Бейерсбергеном и др. экспериментально в 1993 году с использованием цилиндрических линз.
С тех пор они нашли применение во многих областях, таких как оптическая микроскопия или оптический пинцет — инструмент, позволяющий комплексно манипулировать объектами на микро- и наноуровне, создатель которого Артур Эшкин был удостоен Нобелевской премии по физике 2018 года. Оптические пинцеты в настоящее время используются для изучения механических свойств клеточных мембран или нитей ДНК, а также взаимодействия между здоровыми и раковыми клетками.
Когда физики играют Бетховена
Как подчеркивают ученые, их нынешнюю демонстрацию можно интерпретировать как синфазные суперколебания. Связь между обратным течением в квантовой механике и суперколебаниями в волнах впервые описала в 2010 году профессор Майкл Берри, физик из Бристольского университета.
Суперосцилляция — это явление, которое относится к ситуациям, когда локальное колебание суперпозиции быстрее, чем ее самая быстрая компонента Фурье. Впервые это было предсказано в 1990 году Якиром Аароновым и Санду Попеску, которые обнаружили, что особые комбинации синусоидальных волн создают области коллективной волны, которые колеблются быстрее, чем любая из составляющих.
Майкл Берри в своей публикации «Быстрее, чем Фурье» проиллюстрировал силу суперколебаний, показав, что в принципе можно сыграть Девятую симфонию Бетховена, комбинируя только звуковые волны с частотами ниже 1 Герца — частотами настолько низкими, что они не будут быть услышанным человеком. Однако это крайне непрактично, поскольку амплитуда волн в сверхколебательных областях очень мала.
«Обратный поток, который мы представили, является проявлением быстрых изменений фазы, что может иметь важное значение в приложениях, связанных со взаимодействием света и материи, таких как оптический захват или разработка сверхточных атомных часов», — говорит Бохнишиха Гош. Помимо этого, публикация группы физического факультета Варшавского университета является шагом в направлении наблюдения квантового обратного потока в двух измерениях, который теоретически оказался более надежным, чем одномерный обратный поток.
Теги: квант, фотон
