Den kanoniska rörelsemängden och spinndensiteterna i interferensen av två gravitationsvågor.(A) Schematisk beskrivning av experimentuppställningen för observation av partikelrörelsen i interfererande vattenytevågor. (B) Spinn- och momentumegenskaper för två störande gravitationsvågor med lika frekvenser, amplituder och ortogonala vågvektorer k1 och k2. Den teoretiska kurvan visar fördelningarna av den kanoniska momentumdensiteten P och spinndensiteten S (tabell 1). Numeriska och experimentella diagram visar banor för mikroskopiska partiklar under tre vågperioder 6π/ω. Stokes-driften av partiklarna och deras elliptiska rörelse motsvarar det kanoniska momentum respektive spinn. Parametrarna är x˜=2–√ kx, y˜=2–√ k y och ω/2π =6 Hz. a.u., godtyckliga enheter. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm1295
Vattenvågor kan användas för att visualisera grundläggande begrepp, såsom spin vinkelmomentum, som uppstår i relativistisk fältteori, har RIKEN-fysiker visat. Detta kommer att bidra till att ge nya insikter om väldigt olika vågsystem.
Först introducerades för nästan ett sekel sedan, är begreppet spin vinkelmoment, eller spin, kritiskt viktigt inom kvantfysiken och underbygger de framväxande områdena spintronik och kvantberäkning. I gymnasiefysik brukar en elektrons spinn beskrivas som att elektronen snurrar på sin axel, liknande en snurra. Men en mer utförlig beskrivning av spinn är mer abstrakt och ger inte efter för enkla bilder.
Nu har Konstantin Bliokh från RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory och hans medarbetare visat att spinn kan uppträda som små cirkulära rörelser av vattenpartiklar i vattenvågor. Deras forskning publiceras i Science Advances .
"Vi blev förvånade över att våra medarbetare från Australian National University kunde observera denna effekt i experiment så lätt", säger Bliokh. "Liknande fenomen inom optik och akustik tenderar att vara för små för att observeras, men med vattenvågor är allting några millimeter stort och du kan observera det med dina ögon. Det är det fina med detta experiment."
Det var också oväntat eftersom begreppet spin kommer från matematiken som beskriver relativistisk fältteori, och inte direkt gäller vattenvågor. Men forskarna kunde visa att det finns ett matematiskt samband mellan vattenvågor och formell teori för spinnvinkelmomentum. Som ofta är fallet inom fysiken, kan olika fenomen som verkar vara helt orelaterade kopplas samman med vanlig matematik.
"Det är trevligt att få en enhetlig bild av olika vågsystem och se parallellerna mellan dem", säger Bliokh. "Detta tillvägagångssätt belyser fysiken bakom olika fenomen och kan vara mycket fruktbart för den framtida utvecklingen av olika områden." Han noterar att insikter kan flöda åt båda hållen och att vi kan lära oss mer om vätskedynamik från anslutningen.
Bliokh anser också att demonstrationen kan vara till hjälp för att lära ut kvantfältteori. "Mängder som spinndensitet härleds på ett mycket abstrakt sätt. Det förekommer i vissa ekvationer, men man observerar helt olika saker i experiment", säger Bliokh. "För första gången har vi direkt observerat spinndensitet i vattenvågor. Så det är verkligen en plattform för att visualisera egenskaper som är dolda i kvantfältteorin."
Teamet undersöker nu hur fältteori kan användas för att få nya insikter om andra typer av klassiska vågor. + Utforska vidare
