Badania optyczne w przestrzeni odwrotnej wyróżnione w "Physical Review Letters"

W ramach doświadczenia Younga (sprzed niemal 220 lat) można się przekonać, że światło wychodzące dwiema szczelinami tworzy obraz złożony z wielu prążków (tzw. obraz interferencyjny). Im bliżej siebie są szczeliny, tym dalej od siebie są prążki interferencyjne. W tym eksperymencie dwie szczeliny przekształcają swoje wzajemne położenie (tzw. przestrzeń położeń) w zbiór kierunków (tzw. przestrzeń odwrotną), np. wyrażonych kątami, pod którymi obserwuje się prążki interferencyjne. Od 1801 r. fundamentalne doświadczenie Younga ze światłem ugiętym na szczelinach zostało powtórzone nie tylko przy użyciu fali elektromagnetycznej (fotonów) z każdego możliwego zakresu widma ale i z wykorzystaniem drobin materii - elektronów, atomów a nawet dużych molekuł. Jest to bodaj jeden z najczęściej podawanych w nauce dowodów na falową naturę badanego zjawiska (ze względu na występowanie dyfrakcji na szczelinach i interferencji elementarnych fal powstałych za nimi) oraz słuszność zasady dualizmu korpuskularno – falowego.

Obecnie naukowcy wykazali, że eksperyment podobny do doświadczenia Younga można przeprowadzić w przestrzeni kierunków, czyli w przestrzeni odwrotnej. Wtedy wiązki wychodzące z dwóch kierunków również powinny dać okresowy wzór interferencyjny w przestrzeni.

Badania laboratoryjne zjawisk optycznych prowadzą na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego prof. Jacek Szczytko, prof. Barbara Piętka, prof. Witold Bardyszewski oraz doktoranci – Mateusz Król, Katarzyna Rechcińska i Przemysław Oliwa.

Analiza teoretyczna wyników odbywa się we współpracy z Instytutem Fizyki PAN (prof. Michał Matuszewski) i Uniwersytetem w Southampton (dr H. Sigurdsson i prof. P. Lagoudakis).

W Wojskowej Akademii Technicznej wytworzono specjalną mikrownękę optyczną wypełnioną materiałem ciekłokrystalicznym o dużej dwójłomności. Mikrownękę do badań oraz materiały ciekłokrystaliczne opracowali i wykonali: prof. Witold Piecek, prof. Przemysław Kula, dr Rafał Mazur, dr Przemysław Morawiak z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.

Mikrownękę tworzą dwa niemal doskonałe lustra typu Bragga, położone tak blisko siebie (rzędu pojedynczych mikrometrów), żeby wewnątrz wnęki powstały elektromagnetyczne fale stojące.

Wewnątrz mikrownęki, za pomocą transparentnych elektrod znajdujących się w strukturze luster, wytwarzane jest pole elektryczne. Pod działaniem tego pola molekuły ciekłego kryształu zorientowano w taki sposób, że światło wiązki laserowej wpadające prostopadle do wnęki i w niej na jakiś czas uwięzione, przetworzyło swoją polaryzację z liniowej na dwie kołowe.

Podczas badań obserwowano światło opuszczające wnękę w postaci dwóch wiązek rozchodzących się w dwóch różnych kierunkach, przy czym, każda z wiązek była spolaryzowana kołowo; prawo- lub lewo- skrętnie. Na powierzchni próbki (czyli w przestrzeni położeń) zaobserwowano wzór interferencyjny stanów polaryzacji światła dla nakładających się wiązek opuszczających mikrownękę, złożony z równoległych pasków o zadanej polaryzacji liniowej.

Obserwacja stanów polaryzacji światła przetworzonego w mikrownęce (dokonana w laboratorium UW) przypomina doświadczenie Younga, w którym rolę szczelin odgrywały dwa wyróżnione kierunki propagacji światła (parametry w przestrzeni odwrotnej). Intrygujące jest - zauważają autorzy badania - że wcześniej podobne zjawisko zaobserwowano dla wiązki elektronów, gdzie modulacja polaryzacji spinów elektronów w przestrzeni prowadziła do powstania tzw. trwałej helisy spinowej (ang. persistent spin helix). Analizy teoretyczne dokonanych obserwacji udowodniły, że model matematyczny helisy dla spinu elektronów i dla polaryzacji światła wychodzącego z mikrownęki jest taki sam. Naukowcy zinterpretowali to zjawisko jako (występujące w obu przypadkach) splątanie stopni swobody – kierunku biegu i stanu polaryzacji światła (w przypadku elektronów - spinu).

Stwierdzenie, że mikrownęka optyczna z ciekłym kryształem rozdziela polaryzację światła (spin fotonów) niemal zbiegło się z setną rocznicą odkrycia spinu (własnego momentu pędu) elektronu w słynnym doświadczeniu Sterna i Gerlacha z 1922 r. W prezentowanej pracy została więc zaobserwowana analogia optyczna dwóch fundamentalnych doświadczeń mechaniki kwantowej – doświadczenia Younga i doświadczenia Sterna - Gerlacha.

Artykuł „Realizing Optical Persistent Spin Helix and Stern-Gerlach Deflection in an Anisotropic Liquid Crystal Microcavity” ukazał się 1 listopada 2021 r. w „Physical Reveiw Letters”. Praca była współfinansowana przez Narodowe Centrum Nauki oraz projekt „TopoLight” wyłoniony w konkursie European Innovation Council (EIC) Future and Emerging Technologies (FET-Open) H2020, którego koordynatorem jest Wydział Fizyki UW, a partnerami są Wojskowa Akademia Techniczna, uniwersytet w Southampton, Centrum Badawcze IBM w Zurychu oraz Francuskie Narodowe Centrum Badań - CNRS w Paryżu. Dostęp Open Access do publikacji dzięki wsparciu IDUB UW.

PAP – Nauka w Polsce