Onderzoekers van de University of Central Florida hebben een nieuw type laserstraal ontwikkeld die niet voldoet aan lang bestaande principes over hoe licht breekt en reist.

De bevindingen, die onlangs zijn gepubliceerd in Natuurfotonica , grote gevolgen kunnen hebben voor optische communicatie en lasertechnologieën.

"Deze nieuwe klasse laserstralen heeft unieke eigenschappen die niet worden gedeeld door gewone laserstralen, " zegt Ayman Abouraddy, een professor in UCF's College of Optics and Photonics en de hoofdonderzoeker van de studie.

de balken, bekend als ruimtetijdgolfpakketten, verschillende regels volgen wanneer ze breken, dat is wanneer ze door verschillende materialen gaan. Normaal gesproken, licht vertraagt ​​​​wanneer het in een dichter materiaal reist.

"In tegenstelling tot, ruimtetijdgolfpakketten kunnen zo worden gerangschikt dat ze zich op de gebruikelijke manier gedragen, om helemaal niet van snelheid te veranderen, of zelfs abnormaal versnellen in dichtere materialen, "zegt Abouraddy. "Als zodanig, deze lichtpulsen kunnen tegelijkertijd op verschillende punten in de ruimte aankomen."

"Bedenk hoe een lepel in een met water gevuld glas er gebroken uitziet op het punt waar het water en de lucht elkaar ontmoeten, "zegt Abouraddy. "De lichtsnelheid in lucht is anders dan de lichtsnelheid in water. En dus, de lichtstralen eindigen buigend nadat ze het oppervlak tussen lucht en water zijn overgestoken, en dus lijkt de lepel er verbogen uit te zien. Dit is een bekend fenomeen beschreven door de wet van Snell."

Hoewel de wet van Snell nog steeds van toepassing is, de onderliggende verandering in snelheid van de pulsen is niet langer van toepassing voor de nieuwe laserstralen, zegt Abouraddy. Deze vermogens zijn in strijd met het principe van Fermat dat zegt dat licht altijd zo reist dat het de kortste weg neemt, hij zegt.

"Wat we hier vinden, Hoewel, maakt niet uit hoe verschillend de materialen zijn waar licht doorheen gaat, er bestaat altijd een van onze ruimtetijdgolfpakketten die de interface van de twee materialen kan passeren zonder de snelheid te veranderen, "zegt Abouraddy. "Dus, wat de eigenschappen van het medium ook zijn, het zal over de interface gaan en doorgaan alsof het er niet is."

Voor communicatie, dit betekent dat de snelheid van een bericht dat in deze pakketten reist niet langer wordt beïnvloed door het reizen door verschillende materialen met verschillende dichtheden.

"Als je denkt aan een vliegtuig dat probeert te communiceren met twee onderzeeërs op dezelfde diepte, maar de ene is ver weg en de andere dichtbij, degene die verder weg is zal een langere vertraging oplopen dan degene die dichtbij is, "zegt Abouraddy. "We ontdekken dat we ervoor kunnen zorgen dat onze pulsen zich zo verspreiden dat ze tegelijkertijd bij de twee onderzeeërs aankomen. In feite, nu hoeft de persoon die de puls verzendt niet eens te weten waar de onderzeeër is, zolang ze zich op dezelfde diepte bevinden. Al die onderzeeërs krijgen tegelijkertijd de puls, zodat je ze blindelings kunt synchroniseren zonder te weten waar ze zijn."

Het onderzoeksteam van Abouraddy creëerde de ruimtetijdgolfpakketten door een apparaat te gebruiken dat bekend staat als een ruimtelijke lichtmodulator om de energie van een lichtpuls te reorganiseren, zodat de eigenschappen in ruimte en tijd niet langer gescheiden zijn. Hierdoor kunnen ze de "groepssnelheid" van de lichtpuls regelen, wat ongeveer de snelheid is waarmee de piek van de puls reist.

Eerder werk heeft aangetoond dat het team in staat is om de groepssnelheid van de ruimtetijdgolfpakketten te regelen, ook in optische materialen. De huidige studie bouwde voort op dat werk door te ontdekken dat ze ook de snelheid van de ruimtetijdgolfpakketten via verschillende media konden regelen. Dit is op geen enkele manier in tegenspraak met de speciale relativiteitstheorie, omdat het van toepassing is op de voortplanting van de pulspiek in plaats van op de onderliggende oscillaties van de lichtgolf.

"Dit nieuwe veld dat we aan het ontwikkelen zijn, is een nieuw concept voor lichtstralen, "zegt Abouraddy. "Als gevolg hiervan, alles wat we onderzoeken bij het gebruik van deze balken onthult nieuw gedrag. Al het gedrag dat we over licht kennen, gaat uit van een stilzwijgende veronderstelling dat zijn eigenschappen in ruimte en tijd te scheiden zijn. Dus, alles wat we weten in de optica is daarop gebaseerd. Het is een ingebouwde veronderstelling. Het wordt als de natuurlijke gang van zaken beschouwd. Maar nu, het doorbreken van die onderliggende veronderstelling, we beginnen overal nieuw gedrag te zien."

Co-auteurs van de studie waren Basanta Bhaduri, hoofdauteur en voormalig onderzoekswetenschapper bij UCF's College of Optics and Photonics, nu met Bruker Nano Surfaces in Californië, en Murat Yessenov, een promovendus in het college.

Bhaduri raakte geïnteresseerd in Abouraddy's onderzoek nadat hij erover had gelezen in tijdschriften, zoals Optica Express en Natuurfotonica , en trad in 2018 toe tot het onderzoeksteam van de professor. hij hielp het concept ontwikkelen en ontwierp de experimenten, evenals uitgevoerde metingen en geanalyseerde gegevens.

Hij zegt dat de onderzoeksresultaten in veel opzichten belangrijk zijn, inclusief de nieuwe onderzoeksmogelijkheden die het opent.

"Ruimte-tijdbreking tart onze verwachtingen die zijn afgeleid van het principe van Fermat en biedt nieuwe mogelijkheden voor het vormen van de lichtstroom en andere golfverschijnselen, ' zegt Bhaduri.

Yessenov's rollen omvatten data-analyse, afleidingen en simulaties. Hij zegt dat hij geïnteresseerd raakte in het werk door meer te willen onderzoeken over verstrengeling, wat in kwantumsystemen is wanneer twee goed gescheiden objecten nog steeds een relatie met elkaar hebben.

"We zijn van mening dat ruimtetijdgolfpakketten meer te bieden hebben en dat er veel meer interessante effecten kunnen worden onthuld door ze te gebruiken, ' Zegt Yessenov.

Abouraddy zegt dat de volgende stappen voor het onderzoek het bestuderen van de interactie van deze nieuwe laserstralen met apparaten zoals laserholtes en optische vezels, naast het toepassen van deze nieuwe inzichten op materie in plaats van op lichtgolven.