Időbeli résnyek: a fény újabb bizonyítéka a hullám-részecske dualitásra
A híres dupla résnyirepedéses kísérletet, amely bebizonyította, hogy a fény egyszerre hullám és részecske, most "időbeli résnyekkel" hajtották végre. Az alkalmazott technikák új módot kínálnak a fény manipulálására, amelyet időkristályok létrehozására lehetne használni.
A dupla résnyirepedéses kísérletet először Thomas Young végezte el 1801-ben. A kísérlet során egy fényes sugarat vetítettek egy lemezre vagy kártyára, amelyen két kis résnye volt kivágva a fény áthaladásához. Amikor a fényhullámok áthaladnak a résnyeken, egymással interferálnak, és fényes és sötét csíkok mintázatát hozzák létre egy képernyőn. Ez nem lenne lehetséges, ha a fény egyszerűen részecskékből állna, ezért ez a kísérlet az első bizonyíték volt arra, hogy a fény egyúttal hullám is.
Míg az eredeti dupla résnyirepedéses kísérlet két térben elhelyezett résnyét használt, Riccardo Sapienza, a londoni Imperial College kutatója és kollégái hasonló kísérletet végeztek, ahol a fény terjedését akadályozó objektumokat időben választották szét.
"A hullámok időbeli manipulációja régi téma, de az elmúlt 30 évben főként elméleti alapon zajlott" - mondja Sapienza. "Nagyon nehéz volt kísérleteket végezni, különösen fény esetén."
Ez azért van, mert az ilyen kísérletekhez olyan anyagokra van szükség, amelyek rendkívül gyorsan változnak átlátszóvá és visszaverővé, hogy létrehozzák a kutatók által "időbeli résnyeknek" nevezett jelenséget. Sapienza és csapata egy olyan anyagot használt, amelyet indium-ón-oxidnak hívnak, és amelyet általában különböző elektronikus kijelzők bevonatához használnak. Amikor erős lézerfény éri, az anyag szinte teljesen átlátszóból rövid időre visszaverővé válik.
A kísérlet elvégzéséhez a kutatók két egymást követő lézerimpulzust használtak, hogy a fényt visszaverővé tegyék, miközben egy kevésbé erős "próba" lézerrel világították meg. A próba lézer fénye áthaladt az anyagon olyan időpontokban, amikor az nem volt visszaverő, és visszaverődött, amikor egyidejűleg érte el a lézerimpulzust.
Amikor a visszaverődött fényt mérte, a kutatók hasonló interferencia mintázatokat találtak, mint amiket a klasszikus verziójú kísérletben láttak, de ezúttal a fény frekvenciájában, ami meghatározza a színét, és nem a fényességében.
"A Young-kísérletben a fény egy szögből érkezik és sok szögből távozik, míg a mi kísérletünkben a fény egy frekvenciával érkezik és sok frekvenciával távozik" - mondja Sapienza.
Ez a teoretikus számítások szerint történt, de a fény frekvenciája sokkal inkább ingadozott, mint ahogy a kutatók várták. Az ingadozások száma az anyag átlátszótól visszaverővé való éles átmenetének élességétől függ, tehát ez azt jelenti, hogy az anyag hihetetlen sebességgel reagált a lézerimpulzusokra - néhány femtoszekundumon belül.
"Az anyag reakciója 10-100-szor gyorsabb volt, mint amire számítottunk, és ez nagy meglepetés volt" - mondja Sapienza. "Reméltük, hogy néhány ingadozást látunk, de sokat láttunk."
Ez a gyors átmeneti idő hasznos lehet időkristályok létrehozásához, amelyek olyan furcsa anyagok, amelyek mozgó szerkezetekkel rendelkeznek, amelyek újra és újra megismétlődnek. Segíthet azonban mindennapi alkalmazásokban is, mondja Maxim Shcherbakov, a kaliforniai Irvine Egyetem kutatója.
"Az időbeli interferencia izgalmas felfedezés, amelynek sok alkalmazása lehet a modern technológiákban, de különösen a távközlésben, ahol az időben történő jelzéskezelés nagyon fontos" - mondja.
Forrás: Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-023-01993-w
A dupla résnyirepedéses kísérletet először Thomas Young végezte el 1801-ben. A kísérlet során egy fényes sugarat vetítettek egy lemezre vagy kártyára, amelyen két kis résnye volt kivágva a fény áthaladásához. Amikor a fényhullámok áthaladnak a résnyeken, egymással interferálnak, és fényes és sötét csíkok mintázatát hozzák létre egy képernyőn. Ez nem lenne lehetséges, ha a fény egyszerűen részecskékből állna, ezért ez a kísérlet az első bizonyíték volt arra, hogy a fény egyúttal hullám is.
Míg az eredeti dupla résnyirepedéses kísérlet két térben elhelyezett résnyét használt, Riccardo Sapienza, a londoni Imperial College kutatója és kollégái hasonló kísérletet végeztek, ahol a fény terjedését akadályozó objektumokat időben választották szét.
"A hullámok időbeli manipulációja régi téma, de az elmúlt 30 évben főként elméleti alapon zajlott" - mondja Sapienza. "Nagyon nehéz volt kísérleteket végezni, különösen fény esetén."
Ez azért van, mert az ilyen kísérletekhez olyan anyagokra van szükség, amelyek rendkívül gyorsan változnak átlátszóvá és visszaverővé, hogy létrehozzák a kutatók által "időbeli résnyeknek" nevezett jelenséget. Sapienza és csapata egy olyan anyagot használt, amelyet indium-ón-oxidnak hívnak, és amelyet általában különböző elektronikus kijelzők bevonatához használnak. Amikor erős lézerfény éri, az anyag szinte teljesen átlátszóból rövid időre visszaverővé válik.
A kísérlet elvégzéséhez a kutatók két egymást követő lézerimpulzust használtak, hogy a fényt visszaverővé tegyék, miközben egy kevésbé erős "próba" lézerrel világították meg. A próba lézer fénye áthaladt az anyagon olyan időpontokban, amikor az nem volt visszaverő, és visszaverődött, amikor egyidejűleg érte el a lézerimpulzust.
Amikor a visszaverődött fényt mérte, a kutatók hasonló interferencia mintázatokat találtak, mint amiket a klasszikus verziójú kísérletben láttak, de ezúttal a fény frekvenciájában, ami meghatározza a színét, és nem a fényességében.
"A Young-kísérletben a fény egy szögből érkezik és sok szögből távozik, míg a mi kísérletünkben a fény egy frekvenciával érkezik és sok frekvenciával távozik" - mondja Sapienza.
Ez a teoretikus számítások szerint történt, de a fény frekvenciája sokkal inkább ingadozott, mint ahogy a kutatók várták. Az ingadozások száma az anyag átlátszótól visszaverővé való éles átmenetének élességétől függ, tehát ez azt jelenti, hogy az anyag hihetetlen sebességgel reagált a lézerimpulzusokra - néhány femtoszekundumon belül.
"Az anyag reakciója 10-100-szor gyorsabb volt, mint amire számítottunk, és ez nagy meglepetés volt" - mondja Sapienza. "Reméltük, hogy néhány ingadozást látunk, de sokat láttunk."
Ez a gyors átmeneti idő hasznos lehet időkristályok létrehozásához, amelyek olyan furcsa anyagok, amelyek mozgó szerkezetekkel rendelkeznek, amelyek újra és újra megismétlődnek. Segíthet azonban mindennapi alkalmazásokban is, mondja Maxim Shcherbakov, a kaliforniai Irvine Egyetem kutatója.
"Az időbeli interferencia izgalmas felfedezés, amelynek sok alkalmazása lehet a modern technológiákban, de különösen a távközlésben, ahol az időben történő jelzéskezelés nagyon fontos" - mondja.
Forrás: Nature Physics DOI: 10.1038/s41567-023-01993-w
