Fysikere opdager eksotiske sløjfer af lys i tre-spalt eksperiment

(Phys.org)-Fysikere har udført en variation af det berømte 200-årige dobbeltspalteeksperiment, der, for første gang, involverer "eksotiske loopede baner" af fotoner. Disse fotoner bevæger sig fremad gennem en spalte, sløjf derefter rundt og rejse tilbage gennem en anden spalte, og derefter nogle gange sløjfe rundt igen og rejse fremad gennem en tredje spalte.

Interessant nok, bidraget fra disse loopede baner til det overordnede interferensmønster fører til en tilsyneladende afvigelse fra den sædvanlige form for superpositionsprincippet. Denne tilsyneladende afvigelse kan forstås som en forkert anvendelse af superpositionsprincippet - når først den ekstra interferens mellem loopede og lige baner er redegjort for, superpositionen kan anvendes korrekt.

Teamet af fysikere, ledet af Omar S. Magaña-Loaiza og Israel De Leon, har udgivet et papir om det nye eksperiment i en nylig udgave af Naturkommunikation.

Sløjfer af lys

"Vores arbejde er den første eksperimentelle observation af loopede baner, " fortalte De Leon Phys.org . "Looped -baner er ekstremt vanskelige at opdage på grund af deres lave sandsynlighed for forekomst. Tidligere har forskere havde foreslået, at disse eksotiske baner kunne eksistere, men undlod at observere dem. "

For at øge sandsynligheden for forekomst af sløjfebaner, forskerne designede en tre-spaltet struktur, der understøtter overfladeplasmoner, som forskerne beskriver som "stærkt afgrænsede elektromagnetiske felter, der kan eksistere på overfladen af ​​metaller." Tilstedeværelsen af ​​disse elektromagnetiske felter nær de tre slidser øger bidraget fra loopede baner til det samlede interferensmønster med næsten to størrelsesordener.

"Vi gav en fysisk forklaring, der forbinder sandsynligheden for disse eksotiske baner til de nære felter omkring spalterne, "Sagde De Leon." Som sådan, man kan øge styrken på nærfelter omkring slidserne for at øge sandsynligheden for, at fotoner følger sløjferede baner. "

Superpositionsprincip regnskab for looped baner

Det nye tre-slids eksperiment med sløjferede baner er blot en af ​​mange variationer af det originale dobbeltspalteeksperiment, første gang opført af Thomas Young i 1801. Siden da, forskere har udført versioner, der bruger elektroner, atomer, eller molekyler i stedet for fotoner.

En af grundene til, at eksperimentet med dobbelt slids har tiltrukket sig så meget opmærksomhed, er, at det repræsenterer en fysisk manifestation af princippet om kvantesuperposition. Observationen af, at individuelle partikler kan skabe et interferensmønster, indebærer, at partiklerne skal bevæge sig gennem begge spalter på samme tid. Denne evne til at indtage to steder, eller stater, på en gang, er det afgørende træk ved kvante -superposition.

Indtil nu, alle tidligere versioner af eksperimentet har frembragt resultater, der ser ud til at være nøjagtigt beskrevet af princippet om superposition. Dette skyldes, at loopede baner er så sjældne under normale forhold, at deres bidrag til det overordnede interferensmønster typisk er ubetydeligt, og det betyder, at anvendelse af overlejringsprincippet i disse sager resulterer i en meget god tilnærmelse.

Det er, når bidraget fra de loopede baner bliver ubetydeligt, at det bliver tydeligt, at den totale interferens ikke blot er superpositionen af ​​individuelle bølgefunktioner af fotoner med lige baner, og derfor er interferensmønsteret ikke korrekt beskrevet af den sædvanlige form for superpositionsprincippet.

Magaña-Loaiza forklarede denne tilsyneladende afvigelse mere detaljeret:

"Superpositionsprincippet er altid gyldigt - det, der ikke er gyldigt, er den unøjagtige anvendelse af superpositionsprincippet på et system med to eller tre spalter, " han sagde.

"I de sidste to århundreder, forskere har antaget, at man ikke kan observere interferens, hvis kun en spalte er belyst i et to- eller tre-spaltet interferometer, og det er fordi dette scenario repræsenterer det sædvanlige eller typiske tilfælde.

"Imidlertid, i vores papir viser vi, at dette kun er sandt, hvis sandsynligheden for, at fotoner følger løkkede baner, er ubetydelig. Overraskende, interferenskanter dannes, når fotoner, der følger sløjfebaner, forstyrrer fotoner, der følger lige (direkte) baner, selv når kun en af ​​de tre slidser er belyst.

"Superpositionsprincippet kan anvendes på dette overraskende scenario ved at bruge summen eller 'superpositionen' af to bølgefunktioner; den ene beskriver en lige bane og den anden beskriver looped -baner. Hvis der ikke tages hensyn til looped -baner, ville det repræsentere en forkert anvendelse af superpositionsprincippet .

"Til en vis grad, denne effekt er mærkelig, fordi videnskabsmænd ved, at Thomas Young observerede interferens, da han belyste begge spalter og ikke kun den ene. Dette er kun sandt, hvis sandsynligheden for, at fotoner følger sløjferede baner, er ubetydelig. "

Ud over at påvirke fysikeres forståelse af superpositionsprincippet, som det anvendes på disse eksperimenter, resultaterne afslører også nye lysegenskaber, der kan have applikationer til kvantesimulatorer og andre teknologier, der er afhængige af interferenseffekter.

"Vi mener, at eksotiske loopede stier kan have vigtige implikationer i undersøgelsen af ​​dekoherensmekanismer i interferometri eller for at øge kompleksiteten af ​​visse protokoller for kvante tilfældige gåture, kvantesimulatorer, og andre algoritmer, der bruges i kvanteberegninger, "Sagde De Leon.

© 2017 Phys.org