Dodano: 22 listopad 2023r.

Przepływ wsteczny pokazany w nowym świetle

Zjawisko zwane przepływem wstecznym zademonstrowali w dość prostym układzie fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego. Dwie nałożone na siebie wiązki światła “skręcone” w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara mogą tworzyć w niewielkich obszarach skręcenia przeciwne do ruchu wskazówek zegara.

Przepływ wsteczny pokazany w nowym świetle

 

Odkrycie to może mieć wpływ na badania nad oddziaływaniem światła z materią i stanowi krok w kierunku obserwacji kwantowego przepływu wstecznego. Pracę opisano w komunikacie na stronie Wydziału Fizyki UW, a wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Optica” (DOI: 10.1364/OPTICA.495710).

Światło jak bumerang 

- Wyobraź sobie, że rzucasz piłką tenisową. Piłka zaczyna poruszać się do przodu z dodatnim pędem. Jeśli piłka nie napotka przeszkody, nie spodziewasz się, że nagle zmieni kierunek i wróci do ciebie jak bumerang – zauważa cytowana w komunikacie Bohnishikha Ghosh, doktorantka na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – Kiedy taką piłką zakręcisz np. zgodnie z ruchem wskazówek zegara, również oczekujesz, że będzie się ona kręcić w tym samym kierunku - dodaje.

Wszystko jednak komplikuje się, gdy zamiast piłki mamy do czynienia z cząstkami w mechanice kwantowej.

- W mechanice klasycznej obiekt ma ustalone położenie. Tymczasem w mechanice kwantowej i optyce może on być w tzw. superpozycji stanów, co oznacza, że dany obiekt w tym samym czasie może być równocześnie w dwóch lub więcej położeniach – tłumaczy dr Radek Łapkiewicz, kierownik Laboratorium Obrazowania Kwantowego na Wydziale Fizyki UW. Zdarza się, że cząstki w superpozycji zachowują się zupełnie inaczej, niż wspomniana piłka tenisowa, mogą one nagle zmienić kierunek i przez chwilę poruszać się do tyłu, lub chwilowo kręcić się w odwrotnym do zadanego kierunku. - Fizycy takie zjawisko nazywają przepływem wstecznym – precyzuje Bohnishikha Ghosh.

Przepływ wsteczny w optyce

Przepływ wsteczny w układach kwantowych nie został dotychczas zaobserwowany doświadczalnie. Udało się natomiast zaobserwować go w optyce. Teoretyczne prace (Yakira Aharonova, Michaela V. Berry’ego i Sandu Popescu) badały związki między przepływem wstecznym w mechanice kwantowej, a nietypowym zachowaniem wiązek światła. Yaniv Eliezer wraz ze współpracownikami zaobserwował przepływ wsteczny syntezując skomplikowany front falowy.

Tymczasem badacze z grupy Radka Łapkiewicza, zaobserwowali liniowy przepływ wsteczny w bardzo prostym przypadku - przy nakładających się dwóch wiązkach światła.

- Dla mnie fascynujące jest jak nieoczekiwanie zachowuje się światło kiedy dokładniej mu się przyjrzeć – mówi dr Anat Daniel. W publikacji naukowcy z Wydziału Fizyki UW pokazali efekt przepływu wstecznego w dwóch wymiarach. - Nałożyliśmy na siebie dwie wiązki światła skręcone w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i lokalnie zaobserwowaliśmy skręcenia przeciwne do ruchu wskazówek zegara – wyjaśnia dr Łapkiewicz.

Do pomiaru zjawiska badacze wykorzystali czujnik frontu falowego Shacka-Hartmana. Układ składający się z matrycy mikrosoczewek umieszczonej przed matrycą CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), zapewnia wysoką czułość dwu wymiarowych pomiarów przestrzennych.  – Zbadaliśmy nałożenie dwóch wiązek niosących tylko ujemny orbitalny moment pędu i zaobserwowaliśmy, w ciemnych obszarach wzoru interferencyjnego, dodatni lokalny orbitalny moment pędu. To właśnie azymutalny przepływ wsteczny – mówi Bernard Gorzkowski, doktorant w Laboratorium Obrazowania Kwantowego na Wydziale Fizyki UW.

Wiązki światła z azymutalną (spiralną) zależnością fazową, które niosą orbitalny moment pędu zostały po raz pierwszy wygenerowane eksperymentalnie przy użyciu soczewek cylindrycznych. Od tego czasu znalazły one liczne zastosowania – mogą być wykorzystywane do komunikacji optycznej, mikroskopii, czy do wytwarzania pęsety optycznej.

Superoscylacje

Jak podkreślają naukowcy, opisane przez nich zjawisko może być interpretowane jako superoscylacje. O superoscylacjach mówimy kiedy nakładając fale o częstościach ograniczonych z góry, możemy w powstałej fali znaleźć lokalnie częstości wyższe niż najwyższa, której użyliśmy syntezując nasz pakiet fal. Superoscylacje zostały po raz pierwszy opisane w 1990 roku przez Yakira Aharonova i Sandu Popescu. Później Michael Berry w swojej publikacji "Faster than Fourier" zilustrował moc superoscylacji, pokazując, że teoretycznie możliwe jest odtworzenie „IX Symfonii Beethovena” jedynie z wykorzystaniem fal dźwiękowych o częstościach poniżej 1 herca - tak niskich, że nie byłyby słyszalne dla człowieka. (Jest to jednak bardzo niepraktyczne, gdyż amplituda (głośność) takich akustycznych superoscylacji byłaby bardzo mała).

- Zaprezentowany przez nas przepływ wsteczny jest przejawem szybkich zmian fazy, które mogą mieć znaczenie w zastosowaniach obejmujących oddziaływania światła z materią, takich jak pułapkowanie optyczne czy ultraprecyzyjne zegary optyczne – mówi Bohnishikha Ghosh.

Badania zostały sfinansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach projektu FIRST TEAM.

 

Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. Anat Daniel/ Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego