Nulindeksmetamaterialer giver ny indsigt i grundlaget for kvantemekanik

I fysik, som i livet, er det altid godt at se på tingene fra forskellige perspektiver.

Siden begyndelsen af ​​kvantefysikken er, hvordan lys bevæger sig og interagerer med stof omkring det, for det meste blevet beskrevet og forstået matematisk gennem linsen af ​​dets energi. I 1900 brugte Max Planck energi til at forklare, hvordan lys udsendes af opvarmede genstande, en banebrydende undersøgelse i grundlaget for kvantemekanikken. I 1905 brugte Albert Einstein energi, da han introducerede begrebet foton.

Men lys har en anden lige så vigtig kvalitet, kendt som momentum. Og som det viser sig, når du tager momentum væk, begynder lyset at opføre sig på virkelig interessante måder.

Et internationalt hold af fysikere ledet af Michaël Lobet, en forskningsmedarbejder ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Eric Mazur, Balkanski-professor i fysik og anvendt fysik ved SEAS, er ved at genoverveje grundlaget af kvantefysikken fra momentums perspektiv og udforske, hvad der sker, når lysets momentum reduceres til nul.

Forskningen er publiceret i Nature Light:Science &Applications .

Ethvert objekt med masse og hastighed har momentum - fra atomer til kugler til asteroider - og momentum kan overføres fra et objekt til et andet. En pistol rekylerer, når en kugle affyres, fordi kuglens momentum overføres til pistolen. I den mikroskopiske skala trækker et atom tilbage, når det udsender lys på grund af fotonens erhvervede momentum. Atomisk rekyl, som først blev beskrevet af Einstein, da han skrev kvanteteorien om stråling, er et grundlæggende fænomen, der styrer lysemission.

Men et århundrede efter Planck og Einstein rejser en ny klasse af metamaterialer spørgsmål vedrørende disse grundlæggende fænomener. Disse metamaterialer har et brydningsindeks tæt på nul, hvilket betyder, at når lys rejser gennem dem, bevæger det sig ikke som en bølge i faser af toppe og dale. I stedet strækkes bølgen ud til det uendelige, hvilket skaber en konstant fase. Når det sker, forsvinder mange af kvantemekanikkens typiske processer, inklusive atomrekyl.

Hvorfor? Det hele går tilbage til momentum. I disse såkaldte nær-nul-indeksmaterialer bliver lysets bølgemomentum nul, og når bølgemomentet er nul, sker der mærkelige ting.

"Fundamentelle strålingsprocesser hæmmes i tredimensionelle materialer med næsten nul indeks," siger Lobet, som i øjeblikket er underviser ved universitetet i Namur i Belgien. "Vi indså, at et atoms momentumrekyl er forbudt i materialer med næsten nul indeks, og at ingen momentumoverførsel er tilladt mellem det elektromagnetiske felt og atomet."

Hvis det ikke var nok at bryde en af ​​Einsteins regler, brød forskerne også det måske mest kendte eksperiment inden for kvantefysik - Youngs dobbeltspalte-eksperiment. Dette eksperiment bruges i klasseværelser over hele kloden til at demonstrere partikel-bølge-dualiteten i kvantefysik - hvilket viser, at lys kan vise karakteristika for både bølger og partikler.

I et typisk materiale producerer lys, der passerer gennem to spalter, to sammenhængende bølgekilder, der interfererer med at danne en lys plet i midten af ​​skærmen med et mønster af lyse og mørke kanter på hver side, kendt som diffraktionsfrynser.

"Da vi modellerede og numerisk beregnede Youngs dobbeltspalte-eksperiment, viste det sig, at diffraktionskanterne forsvandt, når brydningsindekset blev sænket," sagde medforfatter Larissa Vertchenko fra Danmarks Tekniske Universitet.

"Som det kan ses, undersøger dette arbejde grundlæggende love for kvantemekanik og undersøger grænserne for bølge-korpuskel dualitet," sagde medforfatter Iñigo Liberal, fra det offentlige universitet i Navarra i Pamplona, ​​Spanien.

Mens nogle grundlæggende processer er hæmmet i materialer med brydningsindeks næsten nul, er andre forbedret. Tag et andet berømt kvantefænomen - Heisenbergs usikkerhedsprincip, mere præcist kendt i fysik som Heisenberg-uligheden. Dette princip siger, at du ikke kan kende både positionen og hastigheden af ​​en partikel med perfekt nøjagtighed, og jo mere du ved om den ene, jo mindre ved du om den anden. Men i materialer med næsten nul indeks ved du med 100 % sikkerhed, at en partikels bevægelsesmængde er nul, hvilket betyder, at du absolut ikke har nogen idé om, hvor i materialet partiklen er på et givet tidspunkt.

"Dette materiale ville være et virkelig dårligt mikroskop, men det gør det muligt at skjule genstande ganske perfekt," sagde Lobet. "På en eller anden måde bliver objekter usynlige."

"Disse nye teoretiske resultater kaster nyt lys over fotonik med brydningsindeks tæt på nul fra et momentumperspektiv," sagde Mazur. "Det giver indsigt i forståelsen af ​​lys-stof-interaktioner i systemer med et lavt refraktionsindeks, som kan være nyttigt til laser- og kvanteoptikapplikationer."

Forskningen kunne også kaste lys over andre applikationer, herunder kvanteberegning, lyskilder, der udsender en enkelt foton ad gangen, den tabsfrie udbredelse af lys gennem en bølgeleder og mere.

Holdet sigter derefter mod at gense andre grundlæggende kvanteeksperimenter i disse materialer fra et momentumperspektiv. Når alt kommer til alt, selvom Einstein ikke forudsagde næsten-nul brydningsindeksmaterialer, understregede han vigtigheden af ​​momentum. I sit banebrydende papir fra 1916 om fundamentale strålingsprocesser insisterede Einstein på, at fra et teoretisk synspunkt burde energi og momentum "betragtes på fuldstændig lige fod, da energi og momentum er forbundet på den tættest mulige måde."

"Som fysikere er det en drøm at følge i fodsporene på giganter som Einstein og skubbe deres ideer videre," sagde Lobet. "Vi håber, at vi kan levere et nyt værktøj, som fysikere kan bruge, og et nyt perspektiv, som kan hjælpe os med at forstå disse grundlæggende processer og udvikle nye applikationer." + Udforsk yderligere

Visualisering af spin-vinkelmomentum i vandbølger