Den röda vägen visar en exotisk slingbana av ljus genom en tre-slits struktur, som observerades för första gången i den nya studien. Upphovsman:Magaña-Loaiza et al. Naturkommunikation
(Phys.org)-Fysiker har utfört en variation av det berömda 200-åriga dubbelspaltsexperimentet som, för första gången, innebär "exotiska loopade banor" av fotoner. Dessa fotoner reser framåt genom en slits, slinga sedan runt och färdas tillbaka genom en annan slits, och ibland slingra runt igen och resa framåt genom en tredje slits.
Intressant, bidraget från dessa loopade banor till det övergripande interferensmönstret leder till en uppenbar avvikelse från den vanliga formen av superpositionsprincipen. Denna skenbara avvikelse kan förstås som en felaktig tillämpning av superpositionsprincipen - när ytterligare störningar mellan slingade och raka banor har redovisats, superpositionen kan tillämpas korrekt.
Teamet av fysiker, ledd av Omar S. Magaña-Loaiza och Israel De Leon, har publicerat ett papper om det nya experimentet i ett nyligen utgåva av Naturkommunikation.
Ljusslingor
"Vårt arbete är den första experimentella observationen av loopade banor, "Berättade De Leon Phys.org . "Looped banor är extremt svåra att upptäcka på grund av deras låga sannolikhet för förekomst. Tidigare har forskare hade föreslagit att dessa exotiska banor kunde existera men misslyckades med att observera dem. "
För att öka sannolikheten för förekomst av loopade banor, forskarna utformade en tre-slits struktur som stöder ytplasmoner, som forskarna beskriver som "starkt begränsade elektromagnetiska fält som kan existera på ytan av metaller." Närvaron av dessa elektromagnetiska fält nära de tre slitsarna ökar slingbanornas bidrag till det totala interferensmönstret med nästan två storleksordningar.
"Vi gav en fysisk förklaring som länkar sannolikheten för dessa exotiska banor till de nära fälten runt slitsarna, "Sa De Leon." Som sådan, man kan öka styrkan hos nära fält runt slitsarna för att öka sannolikheten för att fotoner följer loopade banor. "
Superpositionsprincip redovisar loopade banor
Det nya tre-slits-experimentet med loopade banor är bara en av många variationer av det ursprungliga dubbelslits-experimentet, framfördes först av Thomas Young 1801. Sedan dess har forskare har utfört versioner som använder elektroner, atomer, eller molekyler istället för fotoner.
En av anledningarna till att dubbelspaltsexperimentet har väckt så mycket uppmärksamhet är att det representerar en fysisk manifestation av principen om kvantöverlagring. Observationen att enskilda partiklar kan skapa ett interferensmönster innebär att partiklarna måste färdas genom båda slitsarna samtidigt. Denna förmåga att inta två platser, eller stater, genast, är det avgörande kännetecknet för kvantsuperposition.
Raka banor (grön) och exotiska loopade banor (röd, streckad, prickat) av ljus, där det röda molnet nära ytan visar de nära fälten, som ökar sannolikheten för fotoner att följa loopade banor. Graferna till vänster visar simuleringar (överst) och experimentella resultat (nederst) av den stora skillnaden i interferensmönster som skapas genom att endast en slits som behandlas oberoende (grå linje) och det faktiska kopplade systemet (blå linje) belyses. Den anmärkningsvärda skillnaden mellan de grå och blå linjerna orsakas av de loopade banorna. Upphovsman:Magaña-Loaiza et al. Naturkommunikation
Än så länge, alla tidigare versioner av experimentet har gett resultat som verkar beskrivas korrekt med superpositionsprincipen. Detta beror på att loopade banor är så sällsynta under normala förhållanden att deras bidrag till det övergripande interferensmönstret vanligtvis är försumbart, och att tillämpa överlagringsprincipen på dessa fall resulterar i en mycket bra approximation.
Det är när bidragen från de loopade banorna blir obetydliga att det blir uppenbart att den totala interferensen inte bara är superpositionen av individuella vågfunktioner av fotoner med raka banor, så interferensmönstret beskrivs inte korrekt av den vanliga formen av superpositionsprincipen.
Magaña-Loaiza förklarade denna uppenbara avvikelse mer detaljerat:
"Superpositionsprincipen är alltid giltig - det som inte är giltigt är den felaktiga tillämpningen av superpositionsprincipen på ett system med två eller tre slitsar, " han sa.
"Under de senaste två århundradena forskare har antagit att man inte kan observera störningar om bara en slits belyses i en två- eller treslitsig interferometer, och detta beror på att detta scenario representerar det vanliga eller typiska fallet.
"Dock, i vårt dokument visar vi att detta endast är sant om sannolikheten för fotoner att följa loopade banor är försumbar. Förvånande, störningsfransar bildas när fotoner som följer loopade banor stör fotoner som följer raka (direkta) banor, även när bara en av de tre slitsarna lyser.
"Superpositionsprincipen kan tillämpas på detta överraskande scenario genom att använda summan eller" superpositionen "av två vågfunktioner; en beskriver en rak bana och den andra beskriver loopade banor. Att inte ta hänsyn till loopade banor skulle representera en felaktig tillämpning av superpositionsprincipen .
"I viss utsträckning, denna effekt är märklig eftersom forskare vet att Thomas Young observerade störningar när han belyste både slitsar och inte bara en. Detta är endast sant om sannolikheten för att fotoner följer loopade banor är försumbar. "
Förutom att det påverkar fysikernas förståelse av superpositionsprincipen som den tillämpas på dessa experiment, resultaten avslöjar också nya egenskaper hos ljus som kan ha tillämpningar för kvantsimulatorer och annan teknik som är beroende av störningseffekter.
"Vi tror att exotiska loopade vägar kan ha viktiga konsekvenser i studiet av dekoherensmekanismer i interferometri eller för att öka komplexiteten hos vissa protokoll för kvant slumpmässiga promenader, kvantsimulatorer, och andra algoritmer som används vid kvantberäkning, "Sa De Leon.
© 2017 Phys.org
