Исследователи из физического факультета Варшавского университета наложили друг на друга два световых луча, закрученных по часовой стрелке, чтобы создать скручивания против часовой стрелки в темных областях результирующей суперпозиции. Это открытие имеет значение для изучения взаимодействий света и материи и представляет собой шаг к наблюдению своеобразного явления, известного как квантовый обратный поток.
Представьте, что вы бросаете теннисный мячик. Мяч начинает двигаться вперед с положительной динамикой. Если мяч не ударяется о препятствие, вы вряд ли ожидаете, что он внезапно изменит направление и вернется к вам, как бумеранг. Например, когда вы вращаете такой мяч по часовой стрелке, вы точно так же ожидаете, что он будет продолжать вращаться в том же направлении
Однако все усложняется, когда в квантовой механике мы имеем дело не с шаром, а с частицами. В классической механике объект имеет известное положение. Между тем, в квантовой механике и оптике объект может находиться в так называемой суперпозиции, что означает, что данная частица может находиться в двух или более положениях одновременно.
Квантовые частицы могут вести себя совершенно противоположно вышеупомянутому теннисному мячу — они могут иметь вероятность двигаться назад или вращаться в противоположном направлении в течение некоторых периодов времени. Физики называют такое явление обратным потоком.
Обратный поток в оптике
Обратный поток в квантовых системах до сих пор экспериментально не наблюдался. Вместо этого он был успешно достигнут в классической оптике, используя лучи света. В теоретических работах Я. Ахронова, М. В. Берри и Санду Попеску исследовалась связь между обратным потоком в квантовой механике и аномальным поведением оптических волн в локальных масштабах.
Ю. Элиэзер и др. наблюдали оптический обратный поток, синтезируя сложный волновой фронт. Впоследствии, в группе д-ра Радека Лапкевича, д-ра Анат Даниэль и др. продемонстрировали это явление в одном измерении, используя простую интерференцию двух лучей.
«Что я нахожу увлекательным в этой работе, так это то, что вы очень легко понимаете, насколько странными становятся вещи, когда вы входите в царство измерений в локальном масштабе», — говорит доктор Анат Даниэль.
В своей статье «Азимутальный обратный поток в свете, несущем орбитальный момент импульса» исследователи с физического факультета Варшавского университета показали эффект обратного потока в двух измерениях. «В нашем исследовании мы наложили друг на друга два луча света, закрученные по часовой стрелке, и локально наблюдали скручивания против часовой стрелки», — объясняет доктор Лапкевич.
Чтобы наблюдать за этим явлением, исследователи использовали датчик волнового фронта Шака-Хартмана. Система, состоящая из матрицы микролинз, размещенной перед датчиком КМОП (комплементарный металлооксидный полупроводник), обеспечивает высокую чувствительность для двумерных пространственных измерений.
«Мы исследовали суперпозицию двух пучков, несущих только отрицательный орбитальный момент импульса, и наблюдали в темной области интерференционной картины положительный локальный орбитальный момент импульса. Это азимутальный обратный поток», — говорит Бернард Горжковски, докторант лаборатории квантовой визуализации физического факультета.
Стоит отметить, что световые пучки с азимутальной (спиральной) фазовой зависимостью, несущие орбитальный момент импульса, были впервые получены Марко Бейерсбергеном и др. экспериментально в 1993 году с использованием цилиндрических линз.
С тех пор они нашли применение во многих областях, таких как оптическая микроскопия или оптический пинцет, инструмент, позволяющий всесторонне манипулировать объектами на микро- и наноуровне, создатель которого, Артур Эшкин, был удостоен Нобелевской премии по физике 2018 года. Оптический пинцет в настоящее время используется для изучения механических свойств клеточных мембран или нитей ДНК или взаимодействия между здоровыми и раковыми клетками.
Когда физики играют Бетховена
Как подчеркивают ученые, их нынешнюю демонстрацию можно интерпретировать как суперколебания в фазе. Связь между обратным потоком в квантовой механике и суперколебаниями в волнах была впервые описана в 2010 году профессором Майклом Берри, физиком из Бристольского университета.
Суперосцилляция — это явление, которое относится к ситуациям, когда локальное колебание суперпозиции происходит быстрее, чем ее самая быстрая компонента Фурье. Впервые он был предсказан в 1990 году Якиром Аароновым и Санду Попеску, которые обнаружили, что особые комбинации синусоидальных волн создают области коллективной волны, которые колеблются быстрее, чем любая из составляющих.
Майкл Берри в своей публикации «Быстрее Фурье» проиллюстрировал силу суперколебаний, показав, что, в принципе, можно сыграть Девятую симфонию Бетховена, комбинируя только звуковые волны с частотами ниже 1 Герц — частотами настолько низкими, что их не услышит человек. Это, однако, крайне непрактично, поскольку амплитуда волн в областях суперколебаний очень мала.
Обратный поток, который мы представили, является проявлением быстрых изменений фазы, что может иметь важное значение в приложениях, связанных с взаимодействием света и материи, таких как оптический захват или проектирование сверхточных атомных часов. Кроме того, публикация группы ученых с физического факультета Варшавского университета является шагом в направлении наблюдения квантового обратного потока в двух измерениях, который теоретически оказался более устойчивым, чем одномерный обратный поток.
