فیزیک‌دانان ماهیت کوانتومی نور را در ابعادی جدید آشکار کردند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۳ آوریل ۲۰۲۳
لینک منبع: Time-Bending Experiment: Physicists Reveal Quantum Nature of Light in a New Dimension

فیزیک‌دانان امپراتوری آزمایش معروف دو شکاف را بازسازی کردند که نشان داد نور به‌عنوان ذرات و موج در زمان رفتار می‌کند، نه در مکان.

فیزیک‌دانان کالج امپریال لندن، در یک پیشرفت پیشگامانه، آزمایش تاریخی دو شکاف را بازسازی کردند، که رفتار نور را هم به صورت ذرات و هم به صورت موج در زمان به جای فضا نشان داد. با استفاده از موادی که می‌توانند خواص نوری آن‌ها را در فمتوثانیه تغییر دهند، تیم با موفقیت نور را از میان لایه نازکی از اکسید ایندیوم-قلع پرتاب کرد و «شکاف‌هایی» موقتی برای عبور نور ایجاد کرد. این آزمایش نه‌تنها بینش‌هایی در مورد ماهیت اساسی نور ارائه می‌دهد، بلکه به‌عنوان پله‌ای برای توسعه مواد پیشرفته برای کنترل نور در فضا و زمان عمل می‌کند. این مواد به‌طور بالقوه می‌توانند به فناوری‌های جدید کمک کنند و به مطالعه پدیده‌های فیزیک اساسی مانند سیاه‌چاله‌ها کمک کنند.

این آزمایش بر موادی متکی است که می‌توانند خواص نوری خود را در کسری از ثانیه تغییر دهند، که می‌تواند در فناوری‌های جدید یا برای کشف سؤالات اساسی در فیزیک استفاده شود.

آزمایش اولیه دو شکاف که در سال ۱۸۰۱ توسط توماس یانگ در موسسه سلطنتی انجام شد، نشان داد که نور به‌عنوان یک موج عمل می‌کند. با این حال، آزمایش‌های بیش‌تر نشان داد که نور در واقع هم به‌عنوان موج و هم به‌عنوان ذرات رفتار می‌کند -ماهیت کوانتومی خود را آشکار می‌کند.

این آزمایش‌ها تأثیر عمیقی بر فیزیک کوانتومی گذاشت و ذره‌ای دوگانه و ماهیت موجی نه‌تنها نور، بلکه سایر «ذرات» از جمله الکترون‌ها، نوترون‌ها و اتم‌های کامل را آشکار کرد.

اکنون، تیمی به رهبری فیزیک‌دانان امپریال کالج لندن این آزمایش را با استفاده از «شکاف‌ها» در زمان به جای فضا انجام داده‌اند. آن‌ها با شلیک نور از طریق ماده‌ای که خواص آن را در فمتوثانیه (چهاریلیونم ثانیه) تغییر می‌دهد، به این امر دست یافتند و فقط به نور اجازه می‌دهد در زمان‌های خاص به صورت متوالی از خود عبور کند.

پروفسور ریکاردو ساپینزا، محقق ارشد، از دپارتمان فیزیک امپریال، گفت: «آزمایش ما اطلاعات بیشتری در مورد ماهیت بنیادی نور نشان می‌دهد و در عین حال به‌عنوان پله‌ای برای ایجاد مواد نهایی که می‌توانند نور را در فضا و زمان کنترل کنند، عمل می‌کند.»

جزئیات این آزمایش امروز (۳ آوریل ۲۰۲۳) در مجلهNature Physics منتشر شده‌است.

راه‌اندازی اولیه دو شکاف شامل هدایت نور به یک صفحه مات با دو شکاف موازی نازک در آن بود. پشت صفحه نمایش یک آشکارساز برای نوری بود که از آن عبور می‌کرد.

برای عبور از میان شکاف‌ها به صورت موج، نور به دو موج تقسیم می‌شود که از هر شکاف عبور می‌کند. هنگامی که این امواج دوباره از طرف دیگر عبور می‌کنند، با یکدیگر «تداخل» می‌کنند. جایی که قله‌های موج به هم می‌رسند، یکدیگر را تقویت می‌کنند، اما جایی که یک قله و یک فرورفتگی به هم می‌رسند، یک‌دیگر را خنثی می‌کنند. این یک الگوی راه‌راه در آشکارساز مناطق با نور بیش‌تر و نور کم‌تر ایجاد می‌کند.

نور هم‌چنین می‌تواند به «ذراتی» به نام فوتون تقسیم شود، که می‌توان آن‌ها را با برخورد یک به یک به آشکارساز ضبط کرد و به تدریج الگوی تداخل راه‌راه را ایجاد کرد. حتی زمانی که محققان فقط یک فوتون را در یک زمان شلیک کردند، الگوی تداخل همچنان ظاهر شد، گویی فوتون به دو قسمت تقسیم شد و از هر دو شکاف عبور کرد.

در نسخه کلاسیک آزمایش، نور بیرون آمده از شکاف‌های فیزیکی جهت خود را تغییر می‌دهد، بنابراین الگوی تداخل در نیم‌رخ زاویه‌ای نور نوشته می‌شود. در عوض، شکاف‌های زمانی در آزمایش جدید فرکانس نور را تغییر می‌دهند که رنگ آن را تغییر می‌دهد. این باعث ایجاد رنگ‌هایی از نور می‌شود که با یک‌دیگر تداخل پیدا می‌کنند و رنگ‌های خاصی را تقویت و حذف می‌کنند تا یک الگوی تداخلی ایجاد کنند.

ماده‌ای که تیم مورد استفاده قرار داد، یک لایه نازک از اکسید ایندیوم-قلع بود که بیشتر صفحه نمایش تلفن‌های همراه را تشکیل می‌دهد. این ماده با لیزر در مقیاس‌های زمانی فوق‌سریع، بازتابش را تغییر داد و «شکاف‌هایی» برای نور ایجاد کرد. این ماده بسیار سریع‌تر از آنچه تیم انتظار داشتند به کنترل لیزری پاسخ داد و بازتاب آن را در چند فمتوثانیه تغییر داد.

این ماده یک فراماده است –ماده‌ای که طوری مهندسی شده‌است که دارای خواصی باشد که در طبیعت یافت نمی‌شود. چنین کنترل دقیقی از نور یکی از وعده‌های فرامواد است و هنگامی که با کنترل فضایی همراه شود، می‌تواند فناوری‌ها و حتی مشابه‌هایی برای مطالعه پدیده‌های بنیادی فیزیک مانند سیاه‌چاله‌ها ایجاد کند.

پروفسور سر جان پندری یکی از نویسندگان این مقاله گفت: «آزمایش شکاف‌های زمانی مضاعف دری را به روی طیف‌سنجی کاملا جدیدی باز می‌کند که قادر است ساختار زمانی یک پالس نور را در مقیاس یک دوره تابش حل کند.»

این تیم در مرحله بعدی می‌خواهد این پدیده را در «کریستال زمان» کاوش کند، که مشابه کریستال اتمی است، اما در آن خواص نوری در زمان متفاوت است.

پروفسور استفان مایر، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: «مفهوم کریستال‌های زمان این پتانسیل را دارد که منجر به سوئیچ‌های نوری فوق سریع و موازی شود».

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات 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.