In de natuurkunde, net als in het leven, is het altijd goed om de dingen vanuit verschillende perspectieven te bekijken.

Sinds het begin van de kwantumfysica is hoe licht beweegt en interageert met materie eromheen meestal wiskundig beschreven en begrepen door de lens van zijn energie. In 1900 gebruikte Max Planck energie om uit te leggen hoe licht wordt uitgestraald door verwarmde objecten, een baanbrekende studie in de basis van de kwantummechanica. In 1905 gebruikte Albert Einstein energie toen hij het concept foton introduceerde.

Maar licht heeft nog een andere even belangrijke kwaliteit, bekend als momentum. En het blijkt dat als je het momentum wegneemt, licht zich op een heel interessante manier gaat gedragen.

Een internationaal team van natuurkundigen onder leiding van Michaël Lobet, een onderzoeksmedewerker aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en Eric Mazur, de Balkanski Professor of Physics and Applied Physics bij SEAS, onderzoeken de fundamenten opnieuw van de kwantumfysica vanuit het perspectief van momentum en onderzoeken wat er gebeurt als het momentum van licht tot nul wordt teruggebracht.

Het onderzoek is gepubliceerd inNature Light:Science &Applications .

Elk object met massa en snelheid heeft momentum - van atomen tot kogels tot asteroïden - en momentum kan van het ene object naar het andere worden overgedragen. Een pistool deinst terug wanneer een kogel wordt afgevuurd, omdat het momentum van de kogel wordt overgedragen op het pistool. Op microscopische schaal deinst een atoom terug wanneer het licht uitstraalt vanwege het verworven momentum van het foton. Atoomterugslag, voor het eerst beschreven door Einstein toen hij de kwantumtheorie van straling schreef, is een fundamenteel fenomeen dat de emissie van licht regelt.

Maar een eeuw na Planck en Einstein roept een nieuwe klasse van metamaterialen vragen op over deze fundamentele verschijnselen. Deze metamaterialen hebben een brekingsindex die bijna nul is, wat betekent dat wanneer licht er doorheen reist, het niet als een golf in fasen van toppen en dalen reist. In plaats daarvan wordt de golf tot in het oneindige uitgerekt, waardoor een constante fase ontstaat. Wanneer dat gebeurt, verdwijnen veel van de typische processen van de kwantummechanica, inclusief atomaire terugslag.

Waarom? Het gaat allemaal terug naar het momentum. In deze zogenaamde bijna-nul-indexmaterialen wordt het golfmomentum van licht nul en wanneer het golfmomentum nul is, gebeuren er vreemde dingen.

"Fundamentele stralingsprocessen worden geremd in driedimensionale materialen met een index van bijna nul", zegt Lobet, die momenteel docent is aan de Universiteit van Namen in België. "We realiseerden ons dat de impulsterugslag van een atoom verboden is in materialen met een index van bijna nul en dat er geen impulsoverdracht is toegestaan ​​tussen het elektromagnetische veld en het atoom."

Alsof het overtreden van een van Einsteins regels niet genoeg was, braken de onderzoekers ook misschien wel het meest bekende experiment in de kwantumfysica:Young's dubbelspletenexperiment. Dit experiment wordt in klaslokalen over de hele wereld gebruikt om de dualiteit van deeltjes en golven in de kwantumfysica aan te tonen, wat aantoont dat licht kenmerken van zowel golven als deeltjes kan vertonen.

In een typisch materiaal produceert licht dat door twee spleten gaat twee coherente bronnen van golven die interfereren om een ​​heldere plek in het midden van het scherm te vormen met aan weerszijden een patroon van lichte en donkere randen, ook wel diffractieranden genoemd.

"Toen we Young's dubbelspletenexperiment modelleerden en numeriek berekenden, bleek dat de diffractieranden verdwenen toen de brekingsindex werd verlaagd", zegt co-auteur Larissa Vertchenko van de Technische Universiteit van Denemarken.

"Zoals te zien is, onderzoekt dit werk fundamentele wetten van de kwantummechanica en onderzoekt het de grenzen van de dualiteit van golven en bloedlichaampjes", zegt co-auteur Iñigo Liberal van de openbare universiteit van Navarra in Pamplona, ​​Spanje.

Terwijl sommige fundamentele processen worden geremd in materialen met een brekingsindex van bijna nul, worden andere verbeterd. Neem een ​​ander beroemd kwantumfenomeen:het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, in de natuurkunde beter bekend als de ongelijkheid van Heisenberg. Dit principe stelt dat je niet zowel de positie als de snelheid van een deeltje met perfecte nauwkeurigheid kunt weten en hoe meer je van het ene weet, hoe minder je van het andere weet. Maar in materialen met een index van bijna nul weet je met 100% zekerheid dat het momentum van een deeltje nul is, wat betekent dat je absoluut geen idee hebt waar het deeltje zich op een bepaald moment in het materiaal bevindt.

"Dit materiaal zou een heel slechte microscoop zijn, maar het maakt het wel mogelijk om objecten perfect te verhullen," zei Lobet. "Op de een of andere manier worden objecten onzichtbaar."

"Deze nieuwe theoretische resultaten werpen nieuw licht op bijna nul brekingsindexfotonica vanuit een momentumperspectief", zei Mazur. "Het biedt inzicht in het begrip van licht-materie-interacties in systemen met een lage brekingsindex, wat nuttig kan zijn voor laser- en kwantumoptica-toepassingen."

Het onderzoek zou ook licht kunnen werpen op andere toepassingen, waaronder quantum computing, lichtbronnen die één enkel foton tegelijk uitzenden, de verliesvrije voortplanting van licht door een golfgeleider en meer.

Het team wil vervolgens andere fundamentele kwantumexperimenten in deze materialen opnieuw bekijken vanuit een momentumperspectief. Immers, hoewel Einstein geen materialen met een brekingsindex van bijna nul voorspelde, benadrukte hij wel het belang van momentum. In zijn baanbrekende artikel uit 1916 over fundamentele stralingsprocessen drong Einstein erop aan dat vanuit een theoretisch oogpunt, energie en momentum "op volledig gelijke voet moeten worden beschouwd, aangezien energie en momentum op de nauwst mogelijke manier met elkaar verbonden zijn."

"Als natuurkundigen is het een droom om in de voetsporen te treden van reuzen als Einstein en hun ideeën verder te ontwikkelen", zei Lobet. "We hopen dat we een nieuw hulpmiddel kunnen bieden dat natuurkundigen kunnen gebruiken en een nieuw perspectief, dat ons kan helpen deze fundamentele processen te begrijpen en nieuwe toepassingen te ontwikkelen." + Verder verkennen

Spinimpulsmoment in watergolven visualiseren