I fysiken, som i livet, är det alltid bra att se saker ur olika perspektiv.

Sedan början av kvantfysiken har hur ljus rör sig och interagerar med materia runt omkring det mestadels beskrivits och förstått matematiskt genom linsen av dess energi. År 1900 använde Max Planck energi för att förklara hur ljus sänds ut av upphettade föremål, en avgörande studie i grunden för kvantmekaniken. 1905 använde Albert Einstein energi när han introducerade begreppet foton.

Men ljus har en annan lika viktig egenskap, känd som momentum. Och som det visar sig, när du tar bort farten börjar ljuset bete sig på riktigt intressanta sätt.

Ett internationellt team av fysiker ledda av Michaël Lobet, en forskarassistent vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Eric Mazur, Balkanski-professorn i fysik och tillämpad fysik vid SEAS, undersöker på nytt grunderna av kvantfysik ur rörelsemängdsperspektiv och utforska vad som händer när ljusets rörelsemängd reduceras till noll.

Forskningen är publicerad i Nature Light:Science &Applications .

Alla föremål med massa och hastighet har rörelsemängd - från atomer till kulor till asteroider - och rörelsemängd kan överföras från ett objekt till ett annat. En pistol rekylerar när en kula avfyras eftersom kulans rörelsemängd överförs till pistolen. I mikroskopisk skala ryggar en atom när den avger ljus på grund av fotonens förvärvade rörelsemängd. Atomrekyl, som först beskrevs av Einstein när han skrev kvantteorin om strålning, är ett fundamentalt fenomen som styr ljusemission.

Men ett sekel efter Planck och Einstein väcker en ny klass av metamaterial frågor angående dessa grundläggande fenomen. Dessa metamaterial har ett brytningsindex nära noll, vilket betyder att när ljus färdas genom dem, färdas det inte som en våg i faser av toppar och dalar. Istället sträcks vågen ut till oändligheten, vilket skapar en konstant fas. När det händer försvinner många av de typiska processerna inom kvantmekaniken, inklusive atomrekyl.

Varför? Allt går tillbaka till farten. I dessa så kallade nära-nollindexmaterial blir ljusets vågmomentum noll och när vågmomentet är noll händer udda saker.

"Fundamentala strålningsprocesser hämmas i tredimensionella material med nästan nollindex", säger Lobet, som för närvarande är föreläsare vid universitetet i Namur i Belgien. "Vi insåg att en atoms momentumrekyl är förbjuden i material med nära nollindex och att ingen momentumöverföring är tillåten mellan det elektromagnetiska fältet och atomen."

Om det inte var nog att bryta mot en av Einsteins regler, bröt forskarna också det kanske mest kända experimentet inom kvantfysik – Youngs dubbelslitsexperiment. Detta experiment används i klassrum över hela världen för att demonstrera partikel-vågdualiteten i kvantfysik – vilket visar att ljus kan visa egenskaper hos både vågor och partiklar.

I ett typiskt material producerar ljus som passerar genom två slitsar två koherenta vågkällor som interfererar för att bilda en ljus punkt i mitten av skärmen med ett mönster av ljusa och mörka fransar på vardera sidan, så kallade diffraktionsfransar.

"När vi modellerade och numeriskt beräknade Youngs dubbelslitsexperiment visade det sig att diffraktionskanterna försvann när brytningsindexet sänktes", säger medförfattaren Larissa Vertchenko, från Danmarks Tekniska Universitet.

"Som det kan ses undersöker detta arbete grundläggande kvantmekaniklagar och undersöker gränserna för vågkorpuskeldualitet", säger medförfattaren Iñigo Liberal, vid Public University of Navarra i Pamplona, ​​Spanien.

Medan vissa grundläggande processer hämmas i material med nära noll brytningsindex, är andra förstärkta. Ta ett annat berömt kvantfenomen - Heisenbergs osäkerhetsprincip, mer exakt känd inom fysiken som Heisenberg-ojämlikheten. Denna princip säger att du inte kan veta både positionen och hastigheten för en partikel med perfekt noggrannhet och ju mer du vet om den ena, desto mindre vet du om den andra. Men i material med nära nollindex vet du med 100% säkerhet att en partikels rörelsemängd är noll, vilket betyder att du absolut inte har någon aning om var i materialet partikeln befinner sig vid ett givet ögonblick.

"Detta material skulle göra ett riktigt dåligt mikroskop, men det gör det möjligt att täcka föremål ganska perfekt," sa Lobet. "På något sätt blir föremål osynliga."

"Dessa nya teoretiska resultat kastar nytt ljus över fotonik med nära noll brytningsindex ur ett momentumperspektiv", säger Mazur. "Det ger insikter i förståelsen av ljus-materia-interaktioner i system med ett lågt brytningsindex, vilket kan vara användbart för lasr- och kvantoptikapplikationer."

Forskningen kan också belysa andra tillämpningar, inklusive kvantberäkning, ljuskällor som sänder ut en enda foton åt gången, ljusets förlustfria utbredning genom en vågledare och mer.

Teamet siktar sedan på att återbesöka andra grundläggande kvantexperiment i dessa material från ett momentumperspektiv. Trots allt, även om Einstein inte förutspådde material med nära noll brytningsindex, betonade han vikten av momentum. I sin framträdande skrift från 1916 om grundläggande strålningsprocesser insisterade Einstein på att ur en teoretisk synvinkel borde energi och momentum "betraktas på helt lika villkor eftersom energi och momentum är sammanlänkade på det närmaste möjliga sättet."

"Som fysiker är det en dröm att följa i fotspåren av jättar som Einstein och driva sina idéer vidare", sa Lobet. "Vi hoppas att vi kan tillhandahålla ett nytt verktyg som fysiker kan använda och ett nytt perspektiv, som kan hjälpa oss att förstå dessa grundläggande processer och utveckla nya applikationer." + Utforska vidare

Visualisera spinnvinkelmomentum i vattenvågor