Квантовая механика говорит нам, что свет может вести себя одновременно и как частица, и как волна. Однако до недавнего времени не проводилось ни одного эксперимента по регистрации этих проявлений света одновременно. Максимум, что получали учёные, это регистрация света либо как волны, либо как частицы, однако всегда в разные моменты времени.
Учёные из Федеральной политехнической школы Лозанны (École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) взяли на вооружение совершенно иной, чем применявшиеся ранее, экспериментальный подход и смогли в результате сделать первый в истории снимок света, проявляющего себя как волна и частица одновременно. Отчёт об этом беспрецедентном эксперименте опубликован в журнале Nature Communications.
Когда ультрафиолетовый свет сталкивается с металлической поверхностью, происходит эмиссия (испускание) электронов. Альберт Эйнштейн объяснил этот «фотоэлектрический» эффект тем, что свет (который в его время считался только волновым явлением) также является потоком частиц. Несмотря на то, что в ходе многочисленных экспериментов успешно наблюдалось поведение света и как частицы, и как волны, оба проявления никогда не наблюдались одновременно.
Исследовательская команда из EPFL под руководством Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) подошла к эксперименту необычным путём: были использованы электроны, чтобы запечатлеть свет. Учёные впервые смогли сделать единственный снимок света, одновременно проявляющего себя и как волна, и как поток частиц.
Эксперимент выглядит следующим образом: по металлической нанопроволоке выстреливают лазерным импульсом. Импульс добавляет энергии заряженным частицам в нанопроволоке, заставляя их вибрировать. Свет может двигаться по миниатюрной проволоке в двух возможных направлениях, как машины по шоссе. Когда волны, идущие в противоположных направлениях, встречаются, они образовывают новую волну, которая выглядит так, как будто застыла на месте. Стоячая волна становится источником света для эксперимента. Этот свет излучается вокруг нанопроволоки.
На этом этапе исследователи применили хитрый трюк: они «выстрелили» зарядом электронов вблизи нанопроволоки, получив с их помощью изображение стоячей световой волны. Когда электроны взаимодействовали с задержанным светом на нанопроволоке, они либо ускорялись, либо замедлялись. Используя сверхбыстрый микроскоп, команда Карбоне смогла получить изображение того места, где произошло изменение скорости электронов, визуализировав, таким образом, стоячую волну, которую можно сравнить с «отпечатками пальцев» двойственной природы света.
Данный феномен демонстрирует так называемый корпускулярно-волновой дуализм: свет ведёт себя и как волна, и как частица. Когда электроны проходят вблизи стоячей волны света, они ударяют по световым частицам, то есть фотонам. Как упоминалось выше, это столкновение изменяет скорость электронов, замедляя или ускоряя их. Изменение скорости проявляется как обмен «пакетов» энергии (квантов) между электронами и фотонами. Уже один только факт данного обмена подтверждает, что свет на нанопроволоке ведёт себя как частица.
«Наш эксперимент продемонстрировал, что, впервые в истории, мы имеем возможность напрямую получать изображения процессов квантовой механики и её парадоксальной природы», – поясняет Фабрицио Карбоне. Помимо этого достижения, важность этой передовой работы в том, что она выходит за рамки фундаментальной науки и затрагивает технологии будущего. Объясняет Карбоне: «Возможность получать изображения квантовых феноменов и контролировать их в нанометровых масштабах открывает нам новый путь к квантовым вычислениям».
Источник: phys.org
Перевод: Dmitry Blackfield