Fizycy z Imperial College London odtworzyli słynny eksperyment z podwójną szczeliną, który wykazuje, że światło zachowuje się jak fale, ale zamiast w przestrzeni, również w czasie.
Eksperyment opiera się na materiałach, które mogą zmieniać swoje właściwości optyczne w ułamkach sekundy i mogą być wykorzystane w nowych technologiach lub do badania podstawowych zagadnień w fizyce.
Oryginalny eksperyment z podwójną szczeliną został przeprowadzony w 1801 roku przez Thomasa Younga. Doświadczenie to pokazało, że światło zachowuje się jak fala. Kolejne eksperymenty jednak pokazały, że światło zachowuje się zarówno jak fala, jak i jak cząstka, ujawniając swoją kwantową naturę (tzw. dualizm korpuskularno-falowy).
Teraz zespół fizyków z Imperial College London przeprowadził eksperyment, używając „szczelin” czasowych zamiast przestrzennych. Osiągnęli to, wysyłając światło przez materiał, który zmienia swoje właściwości w femtosekundach (kwadrylionowych częściach sekundy), pozwalając światłu przechodzić tylko w określonych momentach.
Światło, aby podróżować przez szczeliny jako fala, dzieli się na dwie fale, które przechodzą osobno przez każdą szczelinę. Kiedy te fale znowu się przecinają po drugiej stronie, wzajemnie interferują. Powoduje to charakterystyczny wzór w prążki z większą i mniejszą ilością światła (interferencja konstruktywna i destruktywna)
W klasycznej wersji wspomnianego eksperymentu, światło wychodzące ze szczelin zmienia swoje kierunki, tak że wzór interferencji jest zapisywany w profilu kątowym światła. Zamiast tego, w nowym eksperymencie szczeliny czasowe zmieniają częstotliwość światła, co skutkuje zmianą obserwowanego koloru. W ten sposób powstałe kolory światła (czyli światło o różnych częstotliwościach/długościach fali), interferują ze sobą, wzmacniając i znosząc pewne kolory, aby utworzyć wzór interferencyjny.
Użytym w doświadczeniu (meta)materiałem był cienki film tlenku indowo-cynkowego (ITO – indium tin oxide), który wykorzystywany jest w produkcji większości ekranów telefonów komórkowych. Materiał miał zmienione swoje właściwości refleksyjne (zdolność do odbijania światła) przez ultra szybkie lasery, tworząc „otwory” dla światła. Materiał reagował dużo szybciej, zmieniając swoją refleksyjność w kilka femtosekund.
Metameriał to specjalnie zaprojektowany materiał niewystępujący w naturze, posiadający charakterystyczne właściwości optyczne (np. ujemny współczynnik załamania). To właśnie dzięki metamateriałom możliwa jest precyzyjna kontrola światła, a w połączeniu z kontrolą przestrzenną można stworzyć podwaliny pod nowe technologie.
Współautor badań, profesor Sir John Pendry stwierdził:
„Eksperyment czasowy otworzył drzwi do całkowicie nowej spektroskopii, zdolnej do rozwiązywania struktury czasowej impulsu światła na skali jednego okresu promieniowania”.
Następnym krokiem zespołu jest zbadanie zjawiska w „krysztale czasu”, który jest analogiczny do kryształu atomowego, ale gdzie właściwości optyczne zmieniają się w czasie.
Wyniki eksperymentu zostały opublikowane 3 kwietnia 2023 w czasopiśmie Nature Physics („Double-slit time diffraction at optical frequencies„)
Źródło:
phys.org
