VERBOTEN Dynamics
VERBOTEN Dynamics Corporation — The US Department of Defense military contractor, State of Nevada, USA.
5 obserwujących
61 notek
29k odsłon
253 odsłony

Kształt pojedynczego fotonu ??

Ksztalt fotonu.
Ksztalt fotonu.
Wykop Skomentuj4

image

Narodziny kwantowej holografii :  Mamy hologram pojedynczej cząstki światła!


Wykonanie hologramu pojedynczego fotonu uchodziło dotąd za niemożliwe z przyczyn fizycznie fundamentalnych. Naukowcom z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego udało się jednak w oryginalny sposób przenieść idee klasycznej holografii do świata zjawisk kwantowych. Nowa technika pomiarowa nie tylko umożliwiła rejestrację pierwszego hologramu pojedynczej cząstki światła, ale także pozwoliła w nowy sposób spojrzeć na fundamenty mechaniki kwantowej.

Na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) wykonano pierwszy hologram pojedynczej cząstki światła. Spektakularny eksperyment, opisany na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Photonics”, przeprowadzili dr Radosław Chrapkiewicz i mgr Michał Jachura pod kierownictwem dr. hab. Wojciecha Wasilewskiego i prof. dr. hab. Konrada Banaszka. Zarejestrowanie hologramu fotonu oznacza początek nowego rodzaju holografii: holografii kwantowej, która odsłania nowy widok na świat zjawisk kwantowych.

„W stosunkowo prostym eksperymencie zmierzyliśmy i zobaczyliśmy coś, co dostrzec jest bardzo trudno: kształt frontów falowych pojedynczego fotonu”, mówi dr Radosław Chrapkiewicz.

W standardowej fotografii w poszczególnych punktach obrazu rejestruje się wyłącznie natężenie światła. W klasycznej holografii dzięki zjawisku interferencji zapisuje się także fazę fali świetlnej (to właśnie faza niesie informację o głębi obrazu). Wykonanie hologramu polega na tym, że na dobrze znaną, niezaburzoną falę świetlną (odniesienia) nakłada się drugą falę o tej samej długości, lecz odbitą od obiektu trójwymiarowego (a zatem z grzbietami i dolinami fali świetlnej poprzesuwanymi w różnym stopniu w różnych punktach obrazu). Dochodzi do interferencji, która wskutek różnic w fazach obu fal tworzy skomplikowany układ prążków. Tak zarejestrowany hologram wystarczy oświetlić wiązką odniesienia, żeby odtworzyć przestrzenną strukturę frontów falowych światła odbitego od obiektu, a tym samym jego trójwymiarowy kształt.

Wydawałoby się, że podobny mechanizm powinien działać także wtedy, gdy liczbę fotonów tworzących obie fale zredukuje się do minimum, a więc do jednego fotonu odniesienia i jednego odbitego od obiektu. Tak się jednak nie dzieje! Faza fali pojedynczego fotonu wciąż fluktuuje, co uniemożliwia klasyczną interferencję z innym fotonem. Fizycy z FUW stali więc przed zadaniem pozornie niemożliwym. Spróbowali jednak rozwiązać problem w inny sposób i zamiast klasycznej interferencji pól elektromagnetycznych podjęli próbę zarejestrowania innej interferencji, kwantowej, w której oddziaływałyby funkcje falowe fotonów.

Funkcja falowa to absolutny fundament mechaniki kwantowej, rdzeń jej najważniejszego równania (równania Schroedingera). W rękach sprawnego fizyka funkcja ta pełni podobną rolę jak glina w rękach rzeźbiarza: umiejętnie ukształtowana, pozwala „ulepić” model układu cząstek kwantowych. Fizycy zawsze starają się poznać funkcję falową cząstki w danym układzie, ponieważ kwadrat jej modułu to rozkład prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w określonym stanie – a więc wiedza bardzo praktyczna.

„Wszystko to być może brzmi nieco skomplikowanie, ale w praktyce główna idea naszego eksperymentu jest prosta: zamiast patrzeć na zmiany natężenia światła, popatrzmy na to, jak zmienia się prawdopodobieństwo zarejestrowania par fotonów po interferencji kwantowej”, wyjaśnia doktorant Jachura.

Skąd pary fotonów? Rok temu Chrapkiewicz i Jachura za pomocą nowatorskiej kamery skonstruowanej na FUW sfilmowali, po raz pierwszy na świecie, zachowanie par rozróżnialnych i nierozróżnialnych fotonów wysłanych ku płytce światłodzielącej. Gdy fotony były rozróżnialne, pojawiały się za płytką przypadkowo: po jednym fotonie z każdej strony płytki bądź razem po jednej z jej stron. Fotony nierozróżnialne interferowały kwantowo i w efekcie zachowywały się inaczej: łączyły się w pary i opuszczały płytkę światłodzielącą zawsze razem, po jednej ze stron. Zjawisko to jest znane jako interferencja dwufotonowa lub efekt Hong-Ou-Mandela.

„Po takim eksperymencie trudno było nie zadać sobie pytania, czy kwantowej interferencji dwufotonowej nie można byłoby wykorzystać podobnie jak interferencji klasycznej w holografii, do zebrania za pomocą znanego fotonu jakichś dodatkowych informacji o drugim, nieznanym fotonie. Z naszych analiz wyłonił się dość niespodziewany wniosek: okazało się, że gdy dwa fotony interferują kwantowo, przebieg tej interferencji zależy od kształtów ich frontów falowych”, mówi dr Chrapkiewicz.

Interferencję kwantową można zaobserwować rejestrując jednocześnie parę fotonów. Eksperyment musiał być powtarzany wielokrotnie, zawsze z dwoma fotonami o cechach identycznych jak we wcześniejszym pomiarze. Aby zapewnić te warunki, doświadczenie za każdym razem zaczynano od dwóch fotonów o płaskich frontach falowych i prostopadłych polaryzacjach (co oznacza, że pole elektryczne każdego fotonu drgało tylko w jednej płaszczyźnie, a płaszczyzny te u obu fotonów były do siebie prostopadłe). Różna polaryzacja pozwalała rozdzielać fotony w odpowiednim krysztale i jeden z nich czynić „nieznanym” poprzez wykrzywienie jego frontów falowych za pomocą soczewki cylindrycznej. Po odbiciu od zwierciadeł oba fotony kierowano ku „płytce światłodzielącej”, której rolę pełnił kryształ kalcytu. Nie zmieniał on kierunku biegu fotonów spolaryzowanych pionowo, za to odchylał fotony spolaryzowane poziomo (aby wybór każdej drogi był jednakowo prawdopodobny i kryształ rzeczywiście działał jak płytka światłodzieląca, płaszczyzny polaryzacji fotonów skręcano przed nim o 45 stopni). Do rejestrowania fotonów użyto zaawansowanej kamery z poprzedniego eksperymentu. Powtarzając pomiary wielokrotnie otrzymano obraz interferencyjny odpowiadający hologramowi nieznanego fotonu oglądanemu z jednego punktu w przestrzeni. Obraz ten pozwalał w pełni zrekonstruować zarówno amplitudę jak i fazę funkcji falowej nieznanego fotonu.

Wykop Skomentuj4
Ciekawi nas Twoje zdanie! Napisz notkę Zgłoś nadużycie

Więcej na ten temat

Salon24 news

Co o tym sądzisz?

Inne tematy w dziale