Світло – це хвиля і потік частинок водночас. Від часів Ейнштейна здійснено безліч експериментів, які фіксували окремо хвильові та корпускулярні властивості світла. Тепер дослідникам з Федеральної політехнічної школи Лозанни вперше вдалося зазнимкувати обидва ці стани одночасно.
Подвійна природа світла – один з фундаментальних законів квантової механіки. Коли на металеву пластину спрямувати потік ультрафіолетового світла, воно «вибиває» з неї електрони. Альберт Ейнштейн пояснив це явище, назване фотоефектом, припустивши, що світло, яке досі вважали хвилею, є також потоком частинок.
Попри те, що припущення Ейштейна згодом блискуче підтвердилося, досі вчені могли спостерігати світло в різний час або як потік частинок, або як хвилю. Задіявши радикально новий експериментальний метод, вчені з Федеральної політехнічної школи Лозанни вперше зробили знимку світла, що зафіксувала відразу дві його властивості – корпускулярні та хвильові. Стаття з описом цього передового дослідження опублікована в журналі Nature Communications.
Щоб сфотографувати світло відразу у двох станах, команда дослідників з ФПШЛ на чолі з Фабріціо Карбоне здійснила експеримент з дуже нестандартним трюком. У звичних нам фотографіях зовнішні предмети фіксують за допомогою світла. А команда Карбоне використала потік електронів, щоб зазнимкувати саме світло.
Цього вдалося досягнути в такий спосіб. Лазерним імпульсом освітили крихітний металевий нанопровід. Лазер додав енергії зарядженим частинкам у нанопроводі, примусивши їх вібрувати. Світло у нанопроводі поширюється у двох напрямках, подібно до автівок на автостраді. Коли хвилі, що йдуть назустріч одна одній, зустрічаються, вони формують нову хвилю, що виглядає так, наче вона стоїть на місці. Саме ця «стояча» хвиля й стала джерелом світла, яке вдалося сфотографувати в експерименті Карбоне.
Тут науковці й задіяли свою основну хитрість. Спрямувавши потік електронів на цю стоячу хвилю, її вдалося сфотографувати. Взаємодіючи з частинками світла всередині хвилі, електрони сповільнювались або прискорювались, набуваючи більшого чи меншого значення енергії. За допомогою ультрашвидкого мікроскопа науковці сфотографували позиції, де відбулась зміна їх значення енергії.
Отже, команда Карбоне візуалізувала «стоячу» хвилю і при тому зафіксувала її корпускулярну природу. Обмін енергією між електронами і фотонами має квантову – корпускулярну – природу, а це засвідчує, що хвиля у нанодроті поводиться водночас і як потік частинок.
«Цей експеримент продемонстрував, що уперше ми можемо знімати на камеру квантовомеханічні процеси та їх парадоксальну природу безпосередньо», – стверджує Фабріціо Карбоне. Крім того, важливість цього передового дослідження простягається за межі фундаментальної науки. Зі слів Карбоне, здатність візуалізувати й контролювати квантові процеси на нанометричній шкалі відкриває шлях до передових технологій у сфері квантових комп'ютерів.
First ever photograph of light as a particle and a wave
Джерело: ScienceDaily, 2/03/2015
Зреферував Євген Ланюк
04.03.2015