Ομάδα φυσικών ανακαλύπτει μια νέα μορφή φωτός που οδηγεί την επιστήμη σε νέες καταστάσεις

Φυσικοί από τη Σχολή Φυσικής του Κολεγίου της Αγίας Τριάδος στο Δουβλίνο και του Ινστιτούτου CRANN του Κολλεγίου της Αγίας Τριάδος, ανακάλυψαν μια νέα μορφή φωτός, η οποία θα επηρεάσει την κατανόησή μας σχετικά με τη θεμελιώδη φύση του φωτός.

Ένα από τα μετρήσιμα χαρακτηριστικά μια δέσμης φωτός είναι γνωστό ως στροφορμή. Μέχρι τώρα θεωρείτο ότι σε όλες τις μορφές του φωτός οι κβαντικές τιμές της στροφορμής σε ένα τρισδιάστατο περιβάλλον θα είναι ακέραιες, σε μονάδες σταθεράς του Planck [φυσική σταθερά που οριοθετεί την κλίμακα των κβαντικών φαινομένων]. Τώρα φαίνεται πως κάτι υπάρχει διαφορετικό!

Η ομάδα των φυσικών έδειξε την ύπαρξη μιας νέας μορφής φωτός στην οποία η συνολική στροφορμή κάθε φωτονίου παίρνει, σε μειωμένες διαστάσεις, μόνο το μισό των ακεραίων τιμών. Η διαφορά αυτή, αν και μικρή, είναι βαθειά. «Αυτό που θεωρώ ότι τόσο συναρπαστικό σε αυτό το αποτέλεσμα, είναι ότι ακόμη και αυτή η θεμελιώδης ιδιότητα του φωτός, την οποία οι φυσικοί πάντα θεωρούσαν ότι ήταν σταθερή, μπορεί να αλλάξει», σχολίασε ο αναπληρωτής καθηγητής Paul Eastham, ένας από τους συντελεστές της εργασίας. Ένα δεύτερο μέλος της ομάδας που έκανε την ανακάλυψη είναι ο Kyle E. Ballantine, που πρόσφατα πήρε το διδακτορικό του από το Κολέγιο της Αγίας Τριάδος.

«Η έρευνά μου εστιάζει στην νανο-φωτονική, που είναι η μελέτη της συμπεριφοράς του φωτός σε κλίμακα νανομέτρου», είπε ο τρίτος από τους συντελεστές της ανακάλυψης, ο καθηγητής John Donegan, από το CRANN. «Μια δέσμη φωτός χαρακτηρίζεται από το χρώμα της ή το μήκος κύματος και από μια λιγότερο οικεία ποσότητα γνωστή ως στροφορμή. Η στροφορμή μετράει πόσο περιστρέφεται κάτι. Για μια δέσμη φωτός, ωστόσο, η διάδοση σε ευθεία γραμμή μπορεί να συνοδεύεται επίσης και από περιστροφή της γύρω από τον άξονα διάδοσής της. Έτσι όταν το φως από τον καθρέφτη χτυπά το μάτι σας το πρωί, κάθε φωτόνιο συστρέφει λίγο το μάτι σας, προς τη μια ή την άλλη μεριά». Και συμπλήρωσε: «Η ανακάλυψή μας θα έχει πραγματικό αντίκτυπο στη μελέτη των φωτεινών κυμάτων σε περιοχές όπως οι ασφαλείς οπτικές επικοινωνίες».

Για να κάνει την ανακάλυψή της η ομάδα των επιστημόνων, χρησιμοποίησε ένα φαινόμενο που είχε ανακαλυφθεί στο ίδιο ίδρυμα σχεδόν πριν από 200 χρόνια. Στη δεκαετία του 1830 ο μαθηματικός William Rowan Hamilton και ο φυσικός Humphrey Lloyd ανακάλυψαν ότι μια ακτίνα φωτός, μετά το πέρασμα μέσα από ορισμένους κρυστάλλους, γινότανε ένας κενός κύλινδρος. Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτό το φαινόμενο για να δημιουργήσει δέσμες φωτός με δομή παρόμοια με βίδα. Αναλύοντας αυτές τις δέσμες στο πλαίσιο της κβαντομηχανικής πρόβλεψαν ότι η στροφορμή του φωτονίου θα ήταν μισός ακέραιος και επινόησαν ένα πείραμα για να ελέγξουν την πρόβλεψή τους.

Η πειραματική διάταξη για την γενικευμένη συνολική στροφορμή του φωτός (από τη δημοσίευση – βλέπε τέλος κειμένου)

Χρησιμοποιώντας μια ειδικά κατασκευασμένη συσκευή μπόρεσαν να μετρήσουν τη ροή της στροφορμής σε μια δέσμη φωτός. Μπόρεσαν επίσης, για πρώτη φορά, να μετρήσουν της αποκλίσεις σε αυτή τη ροή που προκαλούνταν από κβαντικά φαινόμενα. Τα πειράματα αποκάλυψαν μια μικρή μεταβολή: το μισό της σταθεράς του Planck στη στροφορμή κάθε φωτονίου.

Θεωρητικοί φυσικοί από τη δεκαετία του 1980 είχαν εικάσει πώς λειτουργεί η κβαντομηχανική για σωμάτια που είναι ελεύθερα να κινούνται σε δυο μόνο από τις τρεις διαστάσεις του χώρου. Ανακάλυψαν ότι κάτι τέτοιο θα επέτρεπε παράξενες νέες δυνατότητες, συμπεριλαμβάνοντας σωμάτια των οποίων οι κβαντικοί αριθμοί ήταν κλάσματα αυτών που αναμένονταν. Η εργασία που δημοσιεύθηκε πρόσφατα δείχνει, για πρώτη φορά, ότι αυτές οι εικασίες μπορούν να πραγματοποιηθούν με το φως.

«Αυτή η εργασία είναι μια επανάσταση για τον κόσμο της φυσικής και για την επιστήμη», δήλωσε μεταξύ άλλων ο διευθυντής του Ινστιτούτου CRANN, καθηγητής Stefano Sanvito.

Πηγή: Trinity College Dublin

Περισσότερα στη δημοσίευση: There are many ways to spin a photon: Half-quantization of a total optical angular momentum, Science Advances Vol. 2, no. 4