Przepływ wsteczny pokazany w nowym świetle

Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Optica”. Odkrycie to może mieć wpływ na badania nad oddziaływaniem światła z materią i stanowi krok w kierunku obserwacji kwantowego przepływu wstecznego. Pracę badawczą opisano w informacji prasowej na stronie Wydziału Fizyki UW.

“Wyobraź sobie, że rzucasz piłką tenisową. Piłka zaczyna poruszać się do przodu z dodatnim pędem. Jeśli piłka nie napotka przeszkody, nie spodziewasz się, że nagle zmieni kierunek i wróci do ciebie jak bumerang – zauważa cytowana w komunikacie Bohnishikha Ghosh, doktorantka na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – Kiedy taką piłką zakręcisz np. zgodnie z ruchem wskazówek zegara, również oczekujesz, że będzie się ona kręcić w tym samym kierunku”.

Wszystko jednak komplikuje się, gdy zamiast piłki mamy do czynienia z cząstkami w mechanice kwantowej.

“W mechanice klasycznej obiekt ma ustalone położenie. Tymczasem w mechanice kwantowej i optyce może on być w tzw. superpozycji stanów, co oznacza, że dany obiekt w tym samym czasie może być równocześnie w dwóch lub więcej położeniach” – tłumaczy cytowany w komunikacie dr Radek Łapkiewicz, kierownik Laboratorium Obrazowania Kwantowego na Wydziale Fizyki UW. Zdarza się, że cząstki w superpozycji zachowują się zupełnie inaczej, niż wspomniana piłka tenisowa, mogą one nagle zmienić kierunek i przez chwilę poruszać się do tyłu, lub chwilowo kręcić się w odwrotnym do zadanego kierunku. “Fizycy takie zjawisko nazywają przepływem wstecznym” – precyzuje Bohnishikha Ghosh.

PRZEPŁYW WSTECZNY W OPTYCE

Przepływ wsteczny w układach kwantowych nie został dotychczas zaobserwowany doświadczalnie. Udało się natomiast zaobserwować go w optyce. Teoretyczne prace (Yakira Aharonova, Michaela V. Berry’ego i Sandu Popescu) badały związki między przepływem wstecznym w mechanice kwantowej, a nietypowym zachowaniem wiązek światła. Yaniv Eliezer wraz ze współpracownikami zaobserwował przepływ wsteczny syntezując skomplikowany front falowy.

Tymczasem badacze z grupy Radka Łapkiewicza, zaobserwowali liniowy przepływ wsteczny w bardzo prostym przypadku - przy nakładających się dwóch wiązkach światła.

“Dla mnie fascynujące jest jak nieoczekiwanie zachowuje się światło kiedy dokładniej mu się przyjrzeć” – mówi dr Anat Daniel. W publikacji, która ukazała się w prestiżowym czasopiśmie "Optica" naukowcy z Wydziału Fizyki UW pokazali efekt przepływu wstecznego w dwóch wymiarach. “Nałożyliśmy na siebie dwie wiązki światła skręcone w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i lokalnie zaobserwowaliśmy skręcenia przeciwne do ruchu wskazówek zegara” – wyjaśnia dr Łapkiewicz.

Do pomiaru zjawiska badacze wykorzystali czujnik frontu falowego Shacka-Hartmana. Układ składający się z matrycy mikrosoczewek umieszczonej przed matrycą CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), zapewnia wysoką czułość dwu wymiarowych pomiarów przestrzennych –” Zbadaliśmy nałożenie dwóch wiązek niosących tylko ujemny orbitalny moment pędu i zaobserwowaliśmy, w ciemnych obszarach wzoru interferencyjnego, dodatni lokalny orbitalny moment pędu. To właśnie azymutalny przepływ wsteczny” – mówi Bernard Gorzkowski, doktorant w Laboratorium Obrazowania Kwantowego na Wydziale Fizyki UW.

Wiązki światła z azymutalną (spiralną) zależnością fazową, które niosą orbitalny moment pędu zostały po raz pierwszy wygenerowane eksperymentalnie przy użyciu soczewek cylindrycznych. Od tego czasu znalazły one liczne zastosowania – mogą być wykorzystywane do komunikacji optycznej, mikroskopii, czy do wytwarzania pęsety optycznej.

GDY FIZYK GRA BEETHOVENA

Jak podkreślają naukowcy, opisane przez nich zjawisko może być interpretowane jako superoscylacje. O superoscylacjach mówimy kiedy nakładając fale o częstościach ograniczonych z góry, możemy w powstałej fali znaleźć lokalnie częstości wyższe niż najwyższa, której użyliśmy syntezując nasz pakiet fal. Superoscylacje zostały po raz pierwszy opisane w 1990 roku przez Yakira Aharonova i Sandu Popescu. Później Michael Berry w swojej publikacji "Faster than Fourier" zilustrował moc superoscylacji, pokazując, że teoretycznie możliwe jest odtworzenie „IX Symfonii Beethovena” jedynie z wykorzystaniem fal dźwiękowych o częstościach poniżej 1 herca - tak niskich, że nie byłyby słyszalne dla człowieka. (Jest to jednak bardzo niepraktyczne, gdyż amplituda (głośność) takich akustycznych superoscylacji byłaby bardzo mała).

“Zaprezentowany przez nas przepływ wsteczny jest przejawem szybkich zmian fazy, które mogą mieć znaczenie w zastosowaniach obejmujących oddziaływania światła z materią, takich jak pułapkowanie optyczne czy ultraprecyzyjne zegary optyczne” – mówi Bohnishikha Ghosh.

Badania zostały sfinansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach projektu FIRST TEAM.

Nauka w Polsce

lt/ agt/