Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego nałożyli na siebie dwie wiązki światła „skręcone” w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, tworząc w niewielkich obszarach skręcenia przeciwne do ruchu wskazówek zegara. Zjawisko to nosi nazwę przepływu wstecznego.
Wyniki badań naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego opublikowało prestiżowe czasopismo Optica. Odkrycie może mieć wpływ na badania nad oddziaływaniem światła z materią i stanowi krok w kierunku obserwacji kwantowego przepływu wstecznego.
Wyobraź sobie, że rzucasz piłką tenisową. Zaczyna się ona poruszać do przodu z dodatnim pędem. Jeśli nie napotka przeszkody, nie spodziewasz się, że nagle zmieni kierunek i wróci do ciebie jak bumerang – zauważa mgr 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. Bo o ile w mechanice klasycznej obiekt ma ustalone położenie, o tyle w mechanice kwantowej i optyce może on się znajdować w tzw. superpozycji stanów
Oznacza to, że w tym samym czasie może być równocześnie w dwóch lub więcej położeniach – wyjaśnia
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.
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. Z kolei badacze z grupy Radka Łapkiewicza zaobserwowali liniowy przepływ wsteczny w bardzo prostym przypadku, nakładając dwie wiązki światła. Teraz 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 wykorzystano 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 – tłumaczy Bernard Gorzkowski, doktorant w Laboratorium Obrazowania Kwantowego na Wydziale Fizyki UW.
Warto dodać, że wiązki światła z azymutalną (spiralną) zależnością fazową, które niosą orbitalny moment pędu zostały po raz pierwszy wygenerowane eksperymentalnie przez zespół Marco Beijersbergena w 1993 roku przy użyciu soczewek cylindrycznych. Od tego czasu znalazły one liczne zastosowania. Mogą być wykorzystywane do komunikacji optycznej, mikroskopii czy do wytwarzania pęsety optycznej – narzędzia, pozwalającego na chwytanie i manipulację obiektami w mikro- i nanoskali, którego twórca, Arthur Ashkin, został uhonorowany w 2018 roku Nagrodą Nobla z fizyki. Pęsety optyczne wykorzystywane są obecnie do badania właściwości mechanicznych błon komórkowych, nici DNA czy oddziaływań między komórkami zdrowymi a nowotworowymi.
Gdy fizyk gra Beethovena
Jak podkreślają naukowcy, opisane przez nich zjawisko może być interpretowane jako superoscylacje. Związek między przepływem wstecznym w mechanice kwantowej a superoscylacjami fal został po raz pierwszy opisany w 2010 roku przez profesora Michaela Berry’ego, fizyka z Uniwersytetu w Bristolu. 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 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 – wskazuje Bohnishikha Ghosh.
Publikacja badaczy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego jest krokiem w kierunku obserwacji kwantowego przepływu wstecznego w dwóch wymiarach, który teoretycznie powinien być silniejszy, niż
jednowymiarowy przepływ wsteczny.
MK, źródło: FUW