Stop-motion fotoner:Lokaliserede lyspartikler på vejen

Professor Alexander Szameit og hans gruppe af fysikere fra University of Rostock, i samarbejde med professor Stefano Longhi fra Polytechnic University of Milan, opdagede en ny og paradoksal opførsel af lysbølger:På trods af at være tæt indespærret i et mikroskopisk volumen, en ny form for lidelse gør, at optiske signaler pludselig kan dukke op i fjerntliggende områder. En sådan abrupt transport havde tidligere været anset for umulig, og udfordrer den nuværende forståelse af lysbølger. Deres opdagelse blev for nylig offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Naturfotonik .

I 1958, Phil Anderson forbløffede det videnskabelige samfund ved at forudsige, at en elektrisk leder - såsom kobber - pludselig vil miste sin ledningsevne og blive til en isolator, så snart dets atomgitter er forstyrret ud over et kritisk niveau:I fysikernes jargon, "uorden" kan bringe elektronernes frie bevægelse til standsning og blokere enhver elektrisk strøm fra at strømme gennem et tidligere ledende materiale.

Denne såkaldte 'Anderson-lokalisering' ligger uden for omfanget af klassisk fysik, og kun en kvantemekanisk behandling af elektroner som både partikler og bølger kan forklare den metalisolatorovergang, der følger af den. I dag ved vi, at denne effekt, som Phil Anderson vandt en andel af Nobelprisen i fysik 1977, gælder generelt:Disorder kan ligeledes undertrykke spredning af lydbølger eller endda lysstråler.

Siden college, lysets spændende egenskaber og dets interaktion med stof har fascineret Alexander Szameit. For nylig, Rostock -professoren og hans kandidatstuderende Sebastian Weidemann og Mark Kremer gjorde en overraskende opdagelse:Hvert realistisk fysisk system udveksler uundgåeligt energi med sit miljø, og, så snart denne energiudveksling bliver uorden, (lys)bølger kan også blive lokaliserede. Denne nye klasse af uorden overskrider den mekanisme, som Phil Anderson overvejede i 1958, da hans beregninger var baseret på den antagelse, at der ikke finder interaktioner sted med miljøet. Szameit forklarer:"I vores eksperimenter har vi kunne tydeligt observere, hvordan lys bliver fokuseret i små områder i rummet, så snart energiudvekslingen i miljøet bliver randomiseret ".

Ved første øjekast, disse resultater syntes kun at være en generalisering af den velkendte undertrykkelse af transport. Imidlertid, meget til deres overraskelse, forskerne opdagede hurtigt det modsatte:"I begyndelsen vi troede ikke vores øjne, da vi så, hvordan det klareste lyspunkt pludselig syntes at springe til en helt anden region i rummet, igen og igen, selvom konventionel lysudbredelse burde have været undertrykt helt stoppet af lidelsen. "

Ansvarlig for denne hidtil ukendte opførsel af lysbølger er den komplekse energiudveksling med miljøet. Prof. Szameit siger, "Enhver tilbageværende tvivl forsvandt, da de kunne bevise, at denne effekt kan blande sig rundt om lyssignaler mellem bestemte punkter i 5 kilometer lang optisk fiber." Disse banebrydende resultater er et begrebsmæssigt gennembrud for fundamental videnskab, og den underliggende mekanismes universelle karakter kan informere nye teknikker til ikke kun at forme lysstrømmen, men også af akustiske eller partikelbølger.