Вчені розкривають квантову природу світла в новому вимірі

Імперські фізики відтворили знаменитий експеримент із подвійною щілиною, який показав, що світло поводиться як частинки та хвилі в часі, а не в просторі. У новаторській розробці фізики Імперського коледжу Лондона відтворили історичний експеримент із подвійною щілиною, який продемонстрував, що світло поводиться як частинка та хвиля в часі, а не в просторі. Використовуючи матеріали, які можуть змінювати свої оптичні властивості за фемтосекунди, команда успішно пропускала світло через тонку плівку оксиду індію та олова, створюючи тимчасові «щілини» для проходження світла. Експеримент не тільки пропонує зрозуміти фундаментальну природу світла, але також служить сходинкою для розробки передових матеріалів для керування світлом як у просторі, так і в часі. Ці матеріали потенційно можуть сприяти розвитку нових технологій і допомагати вивчати такі фундаментальні фізичні явища, як чорні діри.

Експеримент базується на матеріалах, які можуть змінювати свої оптичні властивості за частки секунди, які можна використовувати в нових технологіях або для дослідження фундаментальних питань у фізиці. Оригінальний експеримент із подвійною щілиною, проведений у 1801 році Томасом Янгом у Королівському інституті, показав, що світло діє як хвиля. Однак подальші експерименти показали, що світло насправді поводиться як хвиля і як частинки, розкриваючи його квантову природу.

Ці експерименти мали глибокий вплив на квантову фізику, виявивши подвійну частинково-хвильову природу не лише світла, але й інших «частинок», включаючи електрони, нейтрони та цілі атоми.

Тепер команда під керівництвом фізиків Імперського коледжу Лондона провела експеримент, використовуючи «щілини» в часі, а не в просторі. Вони досягли цього, пропускаючи світло через матеріал, який змінює свої властивості за фемтосекунди (квадрильйоні частки секунди), дозволяючи світлу проходити крізь нього лише в певний час у швидкій послідовності.

Провідний дослідник, професор Ріккардо Сапієнца з фізичного факультету Імперського університету, сказав: «Наш експеримент розкриває більше про фундаментальну природу світла, водночас слугуючи сходинкою для створення найдосконаліших матеріалів, які можуть точно контролювати світло як у просторі, так і в часі.»

Оригінальна двощілинна установка передбачала спрямування світла на непрозорий екран із двома тонкими паралельними щілинами. За екраном знаходився детектор світла, що пройшло.

Щоб пройти через щілини як хвиля, світло розпадається на дві хвилі, які проходять через кожну щілину. Коли ці хвилі знову перетинаються з іншого боку, вони «заважають» одна одній. Там, де зустрічаються піки хвилі, вони підсилюють один одного, але там, де стикаються пік і спад, вони компенсують один одного. Це створює смугастий малюнок на детекторі областей з більшою та меншою кількістю світла.

Світло також можна розділити на «частинки», звані фотонами, які можна записати, коли вони потрапляють на детектор по черзі, поступово створюючи смугасту інтерференційну картину. Навіть коли дослідники запускали лише по одному фотону за раз, інтерференційна картина все одно з’являлася, ніби фотон розділився надвоє та пройшов через обидві щілини.

У класичному варіанті експерименту світло, що виходить із фізичних щілин, змінює свій напрямок, тому інтерференційна картина записується в кутовому профілі світла. Натомість часові проміжки в новому експерименті змінюють частоту світла, що змінює його колір. Це створило кольори світла, які взаємодіють один з одним, посилюючи та скасовуючи певні кольори, створюючи візерунок типу інтерференції.