(Phys.org) — Natuurkundigen hebben een variatie uitgevoerd op het beroemde 200 jaar oude dubbelspletenexperiment dat, Voor de eerste keer, omvat "exotische lusvormige banen" van fotonen. Deze fotonen reizen vooruit door één spleet, loop dan rond en reis terug door een andere spleet, en loop dan soms weer rond en reis vooruit door een derde spleet.

interessant, de bijdrage van deze lusvormige trajecten aan het algehele interferentiepatroon leidt tot een schijnbare afwijking van de gebruikelijke vorm van het superpositieprincipe. Deze schijnbare afwijking kan worden opgevat als een onjuiste toepassing van het superpositieprincipe - zodra rekening is gehouden met de extra interferentie tussen lusvormige en rechte banen, de superpositie kan correct worden toegepast.

Het team van natuurkundigen, onder leiding van Omar S. Magaña-Loaiza en Israel De Leon, heeft een artikel over het nieuwe experiment gepubliceerd in een recent nummer van Natuur Communicatie.

Lichtlussen

"Ons werk is de eerste experimentele observatie van lusvormige banen, "De Leon vertelde" Phys.org . "Looped trajecten zijn extreem moeilijk te detecteren vanwege hun lage waarschijnlijkheid van voorkomen. Eerder, onderzoekers hadden gesuggereerd dat deze exotische banen zouden kunnen bestaan, maar hebben ze niet waargenomen."

Om de kans op het optreden van lusvormige trajecten te vergroten, de onderzoekers ontwierpen een structuur met drie spleten die oppervlakteplasmonen ondersteunt, die de wetenschappers beschrijven als "sterk begrensde elektromagnetische velden die aan het oppervlak van metalen kunnen bestaan." De aanwezigheid van deze elektromagnetische velden nabij de drie spleten verhoogt de bijdrage van lusvormige banen aan het algehele interferentiepatroon met bijna twee ordes van grootte.

"We hebben een fysieke verklaring gegeven die de waarschijnlijkheid van deze exotische banen koppelt aan de nabije velden rond de spleten, " zei De Leon. "Als zodanig, men kan de sterkte van nabije velden rond de spleten vergroten om de kans te vergroten dat fotonen lusvormige banen volgen."

Superpositieprincipe dat rekening houdt met lusvormige trajecten

Het nieuwe experiment met drie spleten met lusvormige banen is slechts een van de vele variaties op het originele experiment met twee spleten, voor het eerst uitgevoerd door Thomas Young in 1801. Sindsdien is onderzoekers hebben versies uitgevoerd die elektronen gebruiken, atomen, of moleculen in plaats van fotonen.

Een van de redenen waarom het dubbelspletenexperiment zoveel aandacht heeft getrokken, is dat het een fysieke manifestatie is van het principe van kwantumsuperpositie. De waarneming dat individuele deeltjes een interferentiepatroon kunnen creëren, impliceert dat de deeltjes tegelijkertijd door beide spleten moeten reizen. Dit vermogen om twee plaatsen te bezetten, of staten, onmiddelijk, is het bepalende kenmerk van kwantumsuperpositie.

Tot dusver, alle eerdere versies van het experiment hebben resultaten opgeleverd die nauwkeurig lijken te worden beschreven door het principe van superpositie. Dit komt omdat lusvormige trajecten onder normale omstandigheden zo zeldzaam zijn dat hun bijdrage aan het algehele interferentiepatroon doorgaans verwaarloosbaar is, en dus het toepassen van het superpositieprincipe op die gevallen resulteert in een zeer goede benadering.

Het is wanneer de bijdrage van de lusvormige banen niet te verwaarlozen wordt dat het duidelijk wordt dat de totale interferentie niet simpelweg de superpositie is van individuele golffuncties van fotonen met rechte banen, en dus wordt het interferentiepatroon niet correct beschreven door de gebruikelijke vorm van het superpositieprincipe.

Magaña-Loaiza legde deze schijnbare afwijking nader uit:

"Het superpositieprincipe is altijd geldig - wat niet geldig is, is de onnauwkeurige toepassing van het superpositieprincipe op een systeem met twee of drie spleten, " hij zei.

"De afgelopen twee eeuwen wetenschappers hebben aangenomen dat men geen interferentie kan waarnemen als slechts één spleet wordt verlicht in een interferometer met twee of drie sleuven, en dit komt omdat dit scenario het gebruikelijke of typische geval vertegenwoordigt.

"Echter, in ons artikel laten we zien dat dit alleen waar is als de kans dat fotonen lusvormige banen volgen verwaarloosbaar is. Verrassend genoeg, interferentieranden worden gevormd wanneer fotonen die lusvormige banen volgen interfereren met fotonen die rechte (directe) banen volgen, zelfs wanneer slechts één van de drie sleuven verlicht is.

"Het superpositieprincipe kan op dit verrassende scenario worden toegepast door de som of 'superpositie' van twee golffuncties te gebruiken; de ene beschrijft een recht traject en de andere beschrijft lusvormige trajecten. Het niet in aanmerking nemen van lusvormige trajecten zou een onjuiste toepassing van het superpositieprincipe betekenen .

"Tot op zekere hoogte, dit effect is vreemd omdat wetenschappers weten dat Thomas Young interferentie heeft waargenomen wanneer hij beide sleuven verlichtte en niet slechts één. Dit is alleen waar als de kans dat fotonen lusvormige banen volgen verwaarloosbaar is."

Naast het beïnvloeden van het begrip van natuurkundigen van het superpositieprincipe zoals het wordt toegepast op deze experimenten, de resultaten onthullen ook nieuwe eigenschappen van licht die toepassingen kunnen hebben voor kwantumsimulators en andere technologieën die afhankelijk zijn van interferentie-effecten.

"Wij zijn van mening dat exotische luspaden belangrijke implicaties kunnen hebben bij de studie van decoherentiemechanismen in interferometrie of om de complexiteit van bepaalde protocollen voor kwantum-willekeurige wandelingen te vergroten, kwantumsimulatoren, en andere algoritmen die worden gebruikt in kwantumberekeningen, ' zei De Leon.

© 2017 Fys.org