Физики из Массачусетского технологического института (MIT) провели идеализированную версию одного из самых известных экспериментов в квантовой физике. Их результаты демонстрируют с точностью до атомного уровня двойственную, но ускользающую природу света. Они также подтверждают, что Альберт Эйнштейн ошибался в этом конкретном квантовом сценарии.
Двухщелевой эксперимент
Двухщелевой эксперимент, впервые проведённый в 1801 году британским учёным Томасом Юнгом, показал, как свет ведёт себя как волна. Сегодня, с формулировкой квантовой механики, двухщелевой эксперимент известен своей удивительно простой демонстрацией фундаментального принципа: свет существует одновременно как частица и волна.
Эксперимент заключается в том, что луч света пропускается через две параллельные щели в экране, и наблюдается картина, которая формируется на втором, удалённом экране. Вместо ожидаемых двух перекрывающихся пятен света, которые подразумевали бы, что свет существует в виде частиц, свет создаёт чередующиеся яркие и тёмные полосы на экране, что указывает на волновое поведение.
Однако, когда пытаются измерить, через какую щель проходит свет, свет внезапно ведёт себя как частица, и интерференционная картина исчезает. Это подтверждает, что все физические объекты, включая свет, одновременно являются частицами и волнами.
Идеализированная версия эксперимента
Физики из MIT провели наиболее «идеализированную» версию двухщелевого эксперимента на сегодняшний день. Их версия сводит эксперимент к его квантовым основам. Они использовали отдельные атомы в качестве щелей и слабые лучи света, так что каждый атом рассеивал не более одного фотона.
Исследователи подготовили атомы в разных квантовых состояниях, чтобы модифицировать информацию, которую атомы получали о пути фотонов. Результаты подтвердили предсказания квантовой теории: чем больше информации было получено о пути (то есть о природе частицы) света, тем ниже была видимость интерференционной картины.
Холодное удержание
Группа Кеттерле в MIT экспериментирует с атомами и молекулами, которые они сверхохлаждают до температур, близких к абсолютному нулю, и располагают в конфигурациях, которые они удерживают с помощью лазерного света. В этих ультрахолодных, тщательно настроенных облаках могут возникать экзотические явления, которые происходят только на квантовом уровне, на уровне отдельных атомов.
В недавнем эксперименте команда изучала, казалось бы, несвязанный вопрос, изучая, как рассеяние света может выявить свойства материалов, созданных из ультрахолодных атомов. Они поняли, что могут количественно определить степень, в которой этот процесс рассеяния похож на частицу или волну, и быстро поняли, что могут применить этот новый метод для реализации этого знаменитого эксперимента в очень идеализированной форме.
MIT создаёт ультракомпактные оптические устройства, переписывающие правила манипуляции светом
В стремлении уменьшить и усовершенствовать технологии, управляющие светом, исследователи из MIT представили новую платформу, которая расширяет границы современной оптики через нанофотонику — манипуляцию светом на наноуровне, или миллиардных долях метра.
Результатом стал класс сверхкомпактных оптических устройств, которые не только меньше и эффективнее существующих технологий, но также динамически перестраиваются, переключаясь с одного оптического режима на другой.
Работа опубликована в выпуске Nature Photonics от 8 июля.
Новые нанофотонные материалы
Нанофотоника традиционно полагалась на такие материалы, как кремний, нитрид кремния или диоксид титана. Эти материалы являются основой устройств, которые направляют и удерживают свет с помощью таких структур, как волноводы, резонаторы и фотонные кристаллы.
Однако эти материалы ограничены двумя основными недостатками:
1. Их показателями преломления. Они измеряют, насколько сильно материал взаимодействует со светом; чем выше показатель преломления, тем сильнее материал «захватывает» свет, изгибая его сильнее и замедляя больше. Показатели преломления кремния и других традиционных нанофотонных материалов часто скромны, что ограничивает степень сжатия света и размер оптических устройств.
2. Один раз созданная структура, её оптическое поведение по сути фиксировано. Обычно нет способа существенно перенастроить её реакцию на свет без физического изменения.
Введение бромида сульфида хрома
Бромид сульфида хрома (CrSBr) — это слоистый квантовый материал с редким сочетанием магнитного порядка и сильного оптического отклика. Центральную роль в его уникальных оптических свойствах играют экситоны — квазичастицы, образующиеся, когда материал поглощает свет и электрон возбуждается, оставляя после себя положительно заряженную «дыру».
В CrSBr экситоны доминируют в оптическом отклике и чувствительны к магнитным полям, что означает, что ими можно управлять с помощью внешних воздействий.
Благодаря этим экситонам CrSBr демонстрирует исключительно большой показатель преломления, который позволяет исследователям создавать оптические структуры, которые могут быть на порядок тоньше, чем структуры, изготовленные из традиционных материалов.
Применив небольшое магнитное поле, исследователи из MIT смогли непрерывно и обратимо переключать оптический режим. Это означает, что они продемонстрировали возможность динамически изменять путь прохождения света через наноструктуру без каких-либо движущихся частей или изменений температуры.
Взаимодействие между светом и экситонами в CrSBr настолько сильное, что приводит к образованию поляритонов — гибридных частиц света и материи, которые наследуют свойства от обоих компонентов. Эти поляритоны позволяют создавать новые формы фотонного поведения, такие как усиленные нелинейности и новые режимы квантового переноса света.
Хотя демонстрация использует отдельные чешуйки CrSBr, материал также может быть интегрирован в существующие фотонные платформы, такие как интегрированные фотонные схемы. Это делает CrSBr актуальным для реальных приложений, где он может служить настраиваемым слоем или компонентом в пассивных устройствах.
Результаты MIT были получены при очень низких температурах до 132 К (-222 °F). Хотя это ниже комнатной температуры, существуют убедительные варианты использования, такие как квантовое моделирование, нелинейная оптика и реконфигурируемые поляритонные платформы, где беспрецедентная настраиваемость CrSBr может оправдать работу в криогенных условиях.