Метаматериалы с нулевым индексом предлагают новое понимание основ квантовой механики
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.
Иллюстрация метаматериала с почти нулевым показателем преломления показывает, что когда свет проходит через него, он движется в постоянной фазе. Предоставлено: Second Bay Studios/Harvard SEAS.
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».
