Visualisering af spin-vinkelmomentum i vandbølger

Vandbølger kan bruges til at visualisere grundlæggende begreber, såsom spin vinkelmomentum, der opstår i relativistisk feltteori, har RIKEN-fysikere vist. Dette vil være med til at give ny indsigt i meget forskellige bølgesystemer.

Begrebet spin vinkelmoment, eller spin, blev først introduceret for næsten et århundrede siden, og er kritisk vigtigt i kvantefysikken og understøtter de nye områder inden for spintronik og kvanteberegning. I gymnasiefysik beskrives spin af en elektron normalt som elektronen, der spinder om sin akse, svarende til en snurretop. Men en mere fyldig beskrivelse af spin er mere abstrakt og giver ikke efter for simple billeder.

Nu har Konstantin Bliokh fra RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory og hans medarbejdere vist, at spin kan optræde som små cirkulære bevægelser af vandpartikler i vandbølger. Deres forskning er publiceret i Science Advances .

"Vi var overraskede over, at vores samarbejdspartnere fra Australian National University var i stand til at observere denne effekt i eksperimenter så let," siger Bliokh. "Lignende fænomener inden for optik og akustik har en tendens til at være for små til at observere, men med vandbølger er alt et par millimeter stort, og du kan observere det med dine øjne. Det er det smukke ved dette eksperiment."

Det var også uventet, fordi begrebet spin kommer fra matematikken, der beskriver relativistisk feltteori, og ikke gælder direkte for vandbølger. Men forskerne var i stand til at vise, at der er en matematisk sammenhæng mellem vandbølger og formel teori for spin vinkelmomentum. Som det ofte er tilfældet i fysik, kan forskellige fænomener, der ser ud til at være totalt uafhængige, forbindes med almindelig matematik.

"Det er rart at få et samlet billede af forskellige bølgesystemer og se parallellerne mellem dem," siger Bliokh. "Denne tilgang belyser fysikken bag forskellige fænomener og kan være meget frugtbar for den fremtidige udvikling af forskellige felter." Han bemærker, at indsigt kunne flyde begge veje, og at vi kunne lære mere om væskedynamik fra forbindelsen.

Bliokh mener også, at demonstrationen kunne være nyttig til undervisning i kvantefeltteori. "Mængder som spindensitet er udledt på en meget abstrakt måde. Det optræder i nogle ligninger, men man observerer helt andre ting i eksperimenter," siger Bliokh. "For første gang har vi direkte observeret spindensitet i vandbølger. Så det er virkelig en platform til at visualisere egenskaber, der er skjult i kvantefeltteorien."

Holdet undersøger nu, hvordan feltteori kan bruges til at få ny indsigt i andre typer klassiske bølger. + Udforsk yderligere

Forbedring af manipulation af mikropartikler med lyd