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 британским учёным Томасом Юнгом в 1801 году, чтобы показать, как свет ведёт себя как волна, сегодня известен своей удивительно простой демонстрацией фундаментального принципа квантовой механики: все физические объекты, включая свет, одновременно являются частицами и волнами.
В оригинальном эксперименте луч света пропускали через две параллельные щели в экране и наблюдали за узором, который формировался на втором, удалённом экране. Вместо 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, он внезапно ведёт себя как частица, и интерференционная картина исчезает.
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.
Подготавливая атомы в разных квантовых состояниях, они могли изменять информацию, которую атомы получали о пути фотонов. Исследователи подтвердили предсказания квантовой теории: чем больше информации было получено о пути (то есть о природе частиц) света, тем ниже была видимость интерференционной картины.
Они продемонстрировали, что ошибался Эйнштейн. Всякий раз, когда атом «шевелется» от проходящего фотона, волновая интерференция уменьшается.
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, построенных из ультрахолодных атомов.
Новый вариант двухщелевого эксперимента
«То, что мы сделали, можно рассматривать как новый вариант двухщелевого эксперимента», — говорит Вольфганг Кеттерле. «Эти одиночные атомы подобны самым маленьким щелям, которые вы могли бы построить».
Работа была поддержана частично Национальным научным фондом, Министерством обороны США и Фондом Гордона и Бетти Мур.
MIT создаёт ультракомпактные оптические устройства, переписывающие правила манипулирования светом
В стремлении уменьшить и усовершенствовать технологии, управляющие светом, исследователи из MIT представили новую платформу, которая расширяет границы современной оптики с помощью нанофотоники — манипулирования 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 из одного оптического режима в другой.
Новый материал для нанофотоники
Традиционно нанофотоника 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:
* Их показателями преломления. Это мера того, насколько сильно материал взаимодействует со светом; чем выше показатель преломления, тем больше материал «захватывает» или взаимодействует со светом, сильнее преломляя его и замедляя. Показатели преломления кремния и других традиционных нанофотонных материалов часто невелики, что ограничивает степень сжатия света и размер оптических устройств.
* Их оптическим поведением. После изготовления структуры её оптическое поведение по сути фиксировано. Обычно нет способа существенно переконфигурировать то, как она реагирует 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 средств.
Благодаря этим экситонам CrSBr демонстрирует исключительно большой показатель преломления, что позволяет исследователям создавать оптические структуры толщиной до порядка величины тоньше, чем те, что сделаны из традиционных материалов.
Работа была поддержана частично Министерством энергетики США, Исследовательским управлением армии и стипендией MathWorks Science. Работа была выполнена частично в MIT.nano.