Светлината взаимодейства с миналото си в обърнат експеримент с двоен процеп

Ваня Милева Последна промяна на 05 април 2023 в 00:01 8387 0

Илюстрация на експеримент с двойния процеп

Кредит Jörg Enderlein

Илюстрация на експеримент с двойния процеп. Илюстрация на експеримента с двоен процеп, показваща плоска вълна, преминаваща през екран през две пролуки. Процепите действат като нови източници на вълни и вълновите фронтове се огъват, създавайки два комплекта излъчвани кръгови вълни. Взаимодействайки си, тези две нови вълни създават интерференчен модел. В точката, където гребен на една вълна се среща с гребен на другата вълна или падина с друга падина, те се подсилват взаимно и техните величини се сумират. Това е известно като конструктивна (усилваща) интерференция. Когато падината се среща гребен, те взаимно се компенсират. Това е известно като деструктивна (намаляваща) интерференция или гасене.

Известният експеримент с двойния процеп, който демонстрира, че светлината е едновременно вълна и частица, е извършен с помощта на „процепи във времето“. Използваните техники представят нов начин за манипулиране на светлината, който може да се използва за създаване на странни материали, наречени времеви кристали.

Експериментът с двойния процеп, извършен за първи път от Томас Йънг (Thomas Young) през 1801 г., включва  използва три екрана. Два от тях имат процепи, през които минава светлина. Светлината първо минава през процепа на първия екран, след това продължава през двата близо разположени процепа на втория екран, накрая стига до третия екран (без процепи), върху който образува светли и тъмни ивици — резултат от интерференцията на светлинните вълни.

Това не би било възможно, ако светлината беше просто направена от частици, така че този експеримент е едно от първите доказателства, че светлината също е вълна.

Оригиналният експеримент използва два процепа, разделени в пространството, Рикардо Сапиенца ( Riccardo Sapienza) от Имперския колеж в Лондон (Imperial College London) и неговите колеги извършват подобен експеримент, при който препятствията пред разпространението на светлината са разделени във времето.

„Времевата манипулация на вълните е стара тема, но през последните 30 години се извършва предимно теоретично“, разказва Сапиенца. Много е трудно да се правят такива експерименти, особено със светлина“, отбелязва Сапиенца.

Това е така, защото извършването на такива експерименти изисква материали, които могат да се променят от прозрачни към отразяващи с изключителна скорост, за да създадат това, което изследователите наричат ​​„процепи във времето“. Сапиенца и неговият екип използват материал, наречен индий-калаен оксид, който обикновено се използва в покрития за различни електронни дисплеи. Когато бъде ударен с мощен лазерен лъч, той преминава от почти изцяло прозрачен до отразяващ за кратко по-голямата част от падащия върху него светлинен лъч.

Изследователите използват два последователни лазерни импулса, за да превърнат материала в отразяващ, като същевременно го осветяват с по-малко мощен „сондиращ” лазер. Светлината от сондиращия лазер преминава през материала през времето, когато не е отразяващ, и отскача обратно, когато удари едновременно с лазерния импулс.

Когато измерват светлината, която се отразява обратно, изследователите откриват подобни интерференчни модели като тези, наблюдавани в класическата версия на експеримента, но този път в честотата на светлината, която определя нейния цвят, а не в нейната яркост.

„В експеримента на Йънг светлината влиза под един ъгъл и излиза под много ъгли, а в нашия експеримент светлината влиза при една честота и излиза под много честоти“, обяснява Сапиенца.

Концепция и реализация на двупроцепен дифракционен експеримент във времето. a–c, конвенционален пространствен експеримент с двоен процеп (a): тъй като светлината се дифрагира от пространствен двоен процеп с апертура A(x) (b), апертурата променя импулса kx на лъча в равнината в разпределение Ã (kx), съответстващ на хоризонтален преход в диаграмата на дисперсия честота-импулс (ω, kx) (c). d,e, Времеви експеримент с двоен процеп (d): тъй като светлината взаимодейства с двойна времева модулация (e), апертура във времето A(t) действа върху честотата ω на лъча и преразпределя честотите като Ã (ω). f, преходът вече е вертикален в диаграмата на дисперсията. g, Експериментална реализация: лъчите на помпата и сондата падат близо до 60° върху 40 нанометра ITO плоча върху стъкло, покрита със 100 нанометра златен (Au) филм. h, Времева промяна в отразяващата способност на пробата (синя линия) с 2,3 пикосекунди разделяне между процепите. Кредит: Tirole, R., Vezzoli, S., Galiffi, E. et al. Double-slit time diffraction at optical frequencies. Nat. Phys. (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-01993-w

Това се случва точно както се предсказва от теоретичните изчисления, но честотата на светлината се колебае много повече, отколкото са очаквали изследователите. Броят на трептенията зависи от остротата на прехода на материала от прозрачен към отразяващ, така че това означава, че материалът е реагирал на лазерните импулси с невероятна скорост – в рамките на няколко фемтосекунди от импулса. Една фемтосекунда е една милионна от една милиардна от секундата.

„Отговорът на материала е 10 до 100 пъти по-бърз от очакваното и това бе голяма изненада“, разказва Сапиенца. „Надявахме се да видим няколко колебания, а видяхме много.“

Това кратко време на преход може да бъде полезно за създаване на времеви кристали, които са странни материали с движещи се структури, които се повтарят отново и отново - те могат да помогнат и с редица приложения за бита.

„Времевата интерференция е вълнуващо откритие, което може да намери приложения в много съвременни технологии, но особено в телекомуникациите, където начинът, по който обработваме сигналите във времето, е много важен“, отбелязва Максим Шчербаков от Калифорнийския университет в Ървайн.

Справка: Tirole, R., Vezzoli, S., Galiffi, E. et al. Double-slit time diffraction at optical frequencies. Nat. Phys. (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-01993-w 

Източник: Light interacts with its past self in twist on double-slit experiment, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !