|
Метаматериалы предлагают новое понимание квантовой механики
|
|
|
|
В физике, как и в жизни, всегда хорошо смотреть на вещи с разных точек зрения. С самого начала квантовой физики то, как свет движется и взаимодействует с материей вокруг него, в основном описывалось и понималось математически через призму его энергии. В 1900 году Макс Планк использовал энергию, чтобы объяснить, как свет излучается нагретыми объектами, что стало основополагающим исследованием в основе квантовой механики. В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал энергию, когда ввел понятие фотона. Но у света есть еще одно не менее важное качество, известное как импульс. И, как оказалось, когда вы убираете импульс, свет начинает вести себя очень интересным образом.
|
|
|
|
Международная группа физиков под руководством Микаэля Лобета, научного сотрудника Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), и Эрика Мазура, профессора физики и прикладной физики Балканского в SEAS, пересматривает основы квантовой физики с точки зрения импульса и изучения того, что происходит, когда импульс света уменьшается до нуля. Исследование опубликовано в журнале Nature Light: Science & Applications. Любой объект с массой и скоростью имеет импульс — от атомов до пуль и астероидов — и импульс может передаваться от одного объекта к другому. Пистолет отскакивает при выстреле из-за того, что импульс пули передается оружию. В микроскопическом масштабе атом отскакивает, когда излучает свет, из-за приобретенного импульса фотона. Атомная отдача, впервые описанная Эйнштейном, когда он писал квантовую теорию излучения, является фундаментальным явлением, определяющим излучение света.
|
|
|
Но спустя столетие после Планка и Эйнштейна новый класс метаматериалов ставит вопросы относительно этих фундаментальных явлений. Эти метаматериалы имеют показатель преломления, близкий к нулю, а это означает, что когда свет проходит через них, он не распространяется подобно волне в фазах гребней и впадин. Вместо этого волна растягивается до бесконечности, создавая постоянную фазу. Когда это происходит, многие типичные процессы квантовой механики исчезают, в том числе атомная отдача. Почему? Все возвращается к импульсу. В этих так называемых материалах с почти нулевым показателем преломления импульс света становится равным нулю, а когда импульс волны равен нулю, происходят странные вещи.
|
|
|
|
«Фундаментальные радиационные процессы подавляются в трехмерных материалах с близким к нулю показателем преломления», — говорит Лобет, который в настоящее время преподает в Намюрском университете в Бельгии. «Мы поняли, что отдача импульса атома запрещена в материалах с близким к нулю показателем преломления и что не допускается передача импульса между электромагнитным полем и атомом». Если нарушения одного из правил Эйнштейна было недостаточно, исследователи также нарушили, пожалуй, самый известный эксперимент в квантовой физике — эксперимент Янга с двумя щелями. Этот эксперимент используется в классах по всему миру для демонстрации корпускулярно-волнового дуализма в квантовой физике, показывая, что свет может отображать характеристики как волн, так и частиц.
|
|
|
|
В типичном материале свет, проходящий через две щели, создает два когерентных источника волн, которые интерферируют, образуя яркое пятно в центре экрана с узором из светлых и темных полос по обеим сторонам, известным как дифракционные полосы. «Когда мы смоделировали и численно рассчитали эксперимент Юнга с двумя щелями, оказалось, что дифракционные полосы исчезли при снижении показателя преломления», — сказала соавтор Лариса Верченко из Технического университета Дании. «Как видно, эта работа исследует фундаментальные законы квантовой механики и исследует пределы корпускулярно-волнового дуализма», — сказал соавтор Иньиго Либерал из Государственного университета Наварры в Памплоне, Испания.
|
|
|
|
В то время как некоторые фундаментальные процессы подавляются в материалах с почти нулевым показателем преломления, другие усиливаются. Возьмем еще одно известное квантовое явление — принцип неопределенности Гейзенберга, более известный в физике как неравенство Гейзенберга. Этот принцип гласит, что вы не можете знать с идеальной точностью и положение, и скорость частицы, и чем больше вы знаете об одном, тем меньше вы знаете о другом. Но в материалах с почти нулевым показателем преломления вы знаете со 100% уверенностью, что импульс частицы равен нулю, а это означает, что вы абсолютно не представляете, где в материале находится частица в любой данный момент. «Этот материал был бы очень плохим микроскопом, но он позволяет прекрасно скрывать объекты», — сказал Лобет. «В некотором роде объекты становятся невидимыми».
|
|
|
|
«Эти новые теоретические результаты проливают новый свет на фотонику с почти нулевым показателем преломления с точки зрения импульса», — сказал Мазур. «Он дает представление о взаимодействии света и вещества в системах с низким показателем преломления, что может быть полезно для приложений лазерной и квантовой оптики». Исследование может также пролить свет на другие приложения, включая квантовые вычисления, источники света, излучающие один фотон за раз, распространение света без потерь через волновод и многое другое.
|
|
|
|
Затем команда стремится пересмотреть другие фундаментальные квантовые эксперименты с этими материалами с точки зрения импульса. В конце концов, хотя Эйнштейн не предсказал материалов с почти нулевым показателем преломления, он подчеркивал важность импульса. В своей основополагающей статье 1916 года о фундаментальных радиационных процессах Эйнштейн настаивал на том, что с теоретической точки зрения энергию и импульс «следует рассматривать на совершенно равной основе, поскольку энергия и импульс связаны самым тесным образом». «Как физики, я мечтаю пойти по стопам таких гигантов, как Эйнштейн, и продвигать их идеи дальше», — сказал Лобет. «Мы надеемся, что сможем предоставить новый инструмент, который смогут использовать физики, и новую перспективу, которая может помочь нам понять эти фундаментальные процессы и разработать новые приложения».
|
|
|
|
Источник
|
