Einsteinin jalanjäljissä

Nollaindeksin metamateriaalit tarjoavat uusia näkemyksiä kvanttimekaniikan perusteista.

Kvanttifysiikan alusta lähtien valon liikkumista ja vuorovaikutusta ympäröivän aineen kanssa on enimmäkseen kuvattu ja ymmärretty matemaattisesti sen energian kautta. Mutta valolla on toinen, yhtä tärkeä ominaisuus eli liikemäärä. Jos sen jättää pois valo alkaa käyttäytyä mielenkiintoisella tavalla.

Kansainvälinen fyysikkoryhmä, jota johtaa Michaël Lobet ja Eric Mazur Harvardista (SEAS) tutkivat uudelleen kvanttifysiikan perusteita liikemäärän näkökulmasta ja tutkimalla, mitä tapahtuu, kun valon liikemäärä pienenee nollaan.

Kaikilla esineillä, joilla on massa ja nopeus, on liikemäärä - atomeista asteroideihin - ja liikemäärä voidaan siirtää kohteesta toiseen. Mikroskooppisessa mittakaavassa atomi peräytyy valoa emittoidessaan fotonista saaman liikemäärän vuoksi. Atomirekyyli, jonka Einstein kuvasi ensimmäisen kerran kirjoittaessaan säteilyn kvanttiteoriaa, on perusilmiö, joka ohjaa valon emissiota.

Mutta vuosisata Planckin ja Einsteinin jälkeen, uusien metamateriaalien luokka, herättää kysymyksiä koskien näitä perusilmiöitä. Näiden metamateriaalien taitekerroin on lähellä nollaa, mikä tarkoittaa, että kun valo kulkee niiden läpi, se ei kulje aallon tavoin vaan aalto venyy äärettömyyteen luoden vakiovaiheen. Kun näin tapahtuu, monet kvanttimekaniikan tyypillisistä prosesseista katoavat, mukaan lukien atomirekyyli.

"Fundamentaaliset säteilyprosessit estyvät kolmiulotteisissa lähes nollaindeksin materiaaleissa", sanoo Lobet. "Ymmärsimme, että atomin liikemäärän rekyyli on kielletty lähes nollaindeksin materiaaleissa ja että liikemäärän siirto sähkömagneettisen kentän ja atomin välillä ei mahdollista."

Jos yhden Einsteinin säännön rikkominen ei riittänyt, tutkijat rikkoivat myös ehkä tunnetuimman kvanttifysiikan kokeen - Youngin kaksoisrako-kokeen. Tyypillisessä materiaalissa kahden raon läpi kulkeva valo tuottaa kaksi koherenttia aaltolähdettä, jotka interferoivat muodostaen kirkkaan täplän esityksen keskelle sekä vaaleita ja tummia hapsuja sen molemmin puolin.

"Kun mallinsimme ja laskemme numeerisesti Youngin kaksoisrakokokeen, kävi ilmi, että diffraktiohapsut katosivat, kun taitekerrointa vähennettiin", sanoo Larissa Vertchenko Tanskan teknisestä yliopistosta.

"Kuten voidaan nähdä, tämä työ tutkii kvanttimekaniikan peruslakeja ja tutkii aalto-korpuskelin kaksinaisuuden rajoja", sanoo Iñigo Liberal espanjalaisesta Navarran yliopistosta.

Vaikka jotkin perusprosessit lähes nollataitekerroin materiaaleissa estyvät niin toiset tehostuvat. Heisenbergin epävarmuusperiaate tarkoittaa, että lähes nollaindeksin materiaaleissa tiedät 100% varmuudella, että hiukkasen liikemäärä on nolla, mutta sitten ei ole aavistustakaan, missä kohtaa materiaalia hiukkanen on.

"Tämä materiaali olisi todella huono mikroskooppi, mutta se mahdollistaa esineiden peittämisen melko täydellisesti", Lobet päättelee. "Esineistä tulee jollain tavalla näkymättömiä."

"Nämä uudet teoreettiset tulokset tuovat uutta näkemystä lähes nollataitekertoimen fotoniikkaan liikemäärän näkökulmasta", sanoo Mazur. "Se tarjoaa oivalluksia valo-aineen vuorovaikutusten ymmärtämiseen järjestelmissä, joissa on alhainen taitekerroin, mikä voi olla hyödyllistä laserin ja kvanttioptiikan sovelluksissa."

Tutkimus voisi myös valaista muita sovelluksia, kuten kvanttilaskentaa, yhden fotonin valonlähteitä, valon häviötöntä etenemistä aaltoputken läpi ja paljon muuta. Tiimi pyrkii seuraavaksi tutustumaan muihin näiden materiaalien perustavanlaatuisiin kvanttikokeisiin liikemäärän näkökulmasta.

Vaikka Einstein ei ennustanut lähes nollan taitekerroinmateriaaleja, hän painotti liikemäärän merkitystä ja esitti, että teoreettisesta näkökulmasta energiaa ja liikemäärää "pitäisi tarkastella täysin tasavertaisesti, koska energia ja liikemäärä ovat sidoksissa toisiinsa mahdollisimman läheisesti".

Aiheesta aiemmin: Tehokkaampaa fotoniikkaa

Tutkimusjulkaisu: Momentum considerations inside near-zero index materials