فیزیک‌دانان ازدحام فوتون‌های معلق را به‌صورت حرکت‌آهسته به تصویر کشیدند.

منتشر‌شده در scitechdaily.com به تاریخ ۷ می 2021
لینک منبع Physicists Demonstrate Swarm of Photons That Somersault in Lockstep

اشیای در حال چرخش و یا در حال حرکت بسیار رایج هستند، از قسمت بالای اسباب‌بازی و ریسندگان فیبردار گرفته تا اسکیت‌بازان در حال چرخش. و از آبی که در حال چرخش است تا گردبادها و طوفان‌ها که بسیار کم‌تر مورد استقبال هستند. در فیزیک، دو نوع حرکت چرخشی وجود دارد، چرخش دایره‌ای یا چرخش مداری. حرکت زمین در منظومه شمسی به خوبی این موارد را نشان می‌دهد: گردش ۳۶۰ درجه روزانه زمین به دور محور خود چرخش «دایره‌ای» است، در‌حالی‌که گردش سالانه زمین به دور خورشید چرخش مداری است.

مقدار در فیزیک برای توصیف چنین حرکت چرخشی «اندازه حرکت زاویه‌ای» (AM) تعریف شده است. نکته مهم در مورد AM این است که آن یک مقدار حفاظت‌شده است. با توجه به مقدار اولیه آن، می‌توان آن را شکست و بین ذرات توزیع مجدد کرد (مانند اتم‌ها، فوتون‌ها، سنگریزه‌ها، M&M ها) اما کل AM باید یکسان باقی بماند. اندازه حرکت زاویه‌ای یک بردار است. این یک کمیت است که جهت دارد و این جهت عمود بر صفحه‌ای است که گردش چرخشی در آن رخ می‌دهد.

برای ذرات نور در پرتوهای لیزر-فوتون‌ها-این دو نوع AM وجود دارند. فوتون‌ها می‌چرخند، اما ما نمی‌توانیم یک فوتون را به عنوان چرخش بر روی محور خود در نظر بگیریم. در عوض، تکانه زاویه‌ای چرخشی (SAM) از چرخش میدان الکتریکی فوتون ناشی می‌شود، و SAM تنها می‌تواند به سمت جلو یا عقب با توجه به جهت پرتو اشاره کند. فوتون‌ها در پرتوهای لیزر نیز می‌توانند اندازه حرکت زاویه‌ای مداری(OAM) داشته باشند. ساده‌ترین پرتو لیزر که در آن فوتون‌ها OAM دارند، «پرتو دونات» است-اگر چنین پرتو نوری را بر روی دیوار بتابانید، مانند یک دونات یا حلقه روشن با یک مرکز تاریک به نظر خواهد رسید. در این مورد، بردار OAM نیز به جلو یا عقب اشاره می‌کند. واقعیت شگفت‌انگیز، به لطف مکانیک کوانتومی، این است که OAM برای هر فوتون در پرتو یک‌سان است.

شاید علاقمند به مطالعه مقاله فیزیک‌دانان به حل کردن کردن هرج‌و‌مرج «مشکل سه جسمی» نزدیک می‌شوند. باشید.

در مقاله‌ای که در تاریخ ۲۷ آوریل ۲۰۲۱ در مجله اوپتیکا منتشر شد، گروه پروفسور هاوارد میلچبرگ (IREAP / ECE / فیزیک) نتیجه شگفت‌انگیزی را نشان می‌دهد که فوتون‌ها در خلا می‌توانند بردارهای نیروی حرکت زاویه‌ای مداری داشته باشند که به یک سو-در ۹۰ درجه نسبت به جهت انتشار-اشاره می‌کنند که به معنای واقعی کلمه عمود بر انتظار چند دهه‌ای است که بردارهای OAM تنها می‌توانند به سمت جلو یا عقب اشاره کنند.

تیم تحقیق، از جمله دانشجوی تحصیلات تکمیلی و مولف اصلی، اسکات هنکاک، Sina Zaدارو (EE PhD. «۱۷) ، و میلچبرگ، این کار را با ایجاد یک پالس دونات انجام دادند که یک» دونات در حال پرواز «را که در نمودار به تصویر کشیده شده است (نام فنی بیشتر آن» گرداب فضایی-زمانی نوری-STOV است). در اینجا، سوراخ دونات به یک سو متمایل شده است و چون گردش چرخشی اکنون در اطراف حلقه رخ می‌دهد، بردار اندازه حرکت زاویه‌ای در زوایای راست به صفحه شامل حلقه اشاره می‌کند. برای اثبات اینکه اینOAM اشاره به پهلو با فوتون‌های منفرد و نه فقط شکل کلی دونات در حال پرواز در ارتباط است، گروه پالس را از طریق یک کریستال غیر‌خطی (نشان‌داده‌شده در نمودار) ارسال کرد تا تحت یک فرآیند شناخته‌شده به نام «تولید هارمونیک دوم» قرار گیرد، که در آن ۲ فوتون قرمز به یک فوتون آبی منفرد با فرکانس دو برابر تبدیل می‌شوند. این امر تعداد فوتون‌ها را با ضریب ۲ کاهش می‌دهد، که به این معنی است که هر فوتون آبی باید دو برابر OAM دو طرفه داشته باشد-و این دقیقا همان چیزی است که اندازه‌گیری‌ها نشان دادند. همان طور که در نمودار دیده می‌شود، نیروی حرکت زاویه‌ای دونات در حال پرواز (یا STOV)-که توسط فلش‌های آبی قرمز و دو برابر بلندتر نشان‌داده شده است-اثر مرکب مجموعه‌ای از فوتون‌ها که در مرحله قفل حرکت می‌کنند، می‌باشد.

کاربردهای بالقوه زیادی ازSTOV ها وجود دارد. به عنوان مثال، حفاظت اندازه حرکت زاویه‌ای مجسم شده توسط فوتون‌های در حال حرکت ممکن است پرتوهایSTOV را در برابر شکست توسط آشفتگی جوی، با کاربرد بالقوه برای ارتباطات نوری فضای آزاد مقاوم کند. علاوه بر این، چون فوتون‌های STOV باید در پالس‌های نور رخ دهند، چنین پالس‌هایی می‌توانند برای تحریک دینامیکی طیف گسترده‌ای از مواد یا برای کاوش آن‌ها به روش‌هایی که از OAM و حفره دونات بهره‌برداری می‌کنند، استفاده شوند. میلچبرگ می‌گوید: «پالس‌های STOV می‌توانند نقش بزرگی در نورشناخت غیر‌خطی ایفا کنند، که در آن تیرها می‌توانند موادی که در آن انتشار می‌یابند را کنترل کنند و کاربردهای جدیدی را در تمرکز، هدایت و سوئیچینگ پرتو ممکن سازند.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله علم فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.