Forscher des University of Central Florida College of Optics and Photonics erreichten die erste Beobachtung von de Broglie-Mackinnon-Wellenpaketen, indem sie eine Lücke in einem Laserphysik-Theorem aus den 1980er Jahren ausnutzten.
Die Forschungsarbeit von CREOL und Professor Ayman Abouraddy vom Florida Photonics Center of Excellence und dem Forschungsassistenten Layton Hall wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.
Die Beobachtung optischer De-Broglie-Mackinnon-Wellenpakete unterstreicht die Forschung des Teams mit einer Klasse von gepulsten Laserstrahlen, die sie Raum-Zeit-Wellenpakete nennen.
In einem Interview mit Dr. Abouraddy gibt er weitere Einblicke in die Forschung seines Teams und was sie für die Zukunft bringen könnte.
In dieser Phase Ihrer Recherche haben Sie mehrere „Premieren“ erreicht. Können Sie etwas über die theoretischen Ideen erzählen, die Sie hierher geführt haben?
In den frühen Tagen der Entwicklung der Quantenmechanik vor fast 100 Jahren gelang Louis de Broglie der entscheidende konzeptionelle Durchbruch, indem er Wellen mit Teilchen identifizierte, was manchmal als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet wird. Ein entscheidendes Dilemma wurde jedoch nicht gelöst. Partikel sind räumlich stabil: Ihre Größe ändert sich nicht, während sie sich fortbewegen, aber Wellen ändern sich und breiten sich in Raum und Zeit aus. Wie kann man aus den von de Broglie vorgeschlagenen Wellen ein Modell konstruieren, das dennoch genau einem Teilchen entspricht?
In den 1970er Jahren schlug L. Mackinnon eine Lösung vor, indem er Einsteins spezielle Relativitätstheorie mit den Wellen von de Broglie kombinierte, um ein stabiles „Wellenpaket“ zu konstruieren, das sich nicht ausbreitet und somit ein sich bewegendes Teilchen begleiten kann. Dieser Vorschlag blieb unbemerkt, da es keine Methodik zur Erzeugung eines solchen Wellenpakets gab. In den letzten Jahren hat meine Gruppe an einer neuen Klasse von gepulsten Laserstrahlen gearbeitet, die wir „Raum-Zeit-Wellenpakete“ nennen, die sich starr im freien Raum bewegen.
In unserer jüngsten Forschung erweiterte Layton dieses Verhalten auf die Ausbreitung in dispersiven Medien, die normalerweise optische Impulse strecken – mit Ausnahme von Raum-Zeit-Wellenpaketen, die dieser Dehnung widerstehen. Er erkannte, dass die Ausbreitung von Raum-Zeit-Wellenpaketen in einem Medium, das mit einer speziellen Art von Dispersion (sog. „anomale“ Dispersion) ausgestattet ist, dem Vorschlag von Mackinnon entspricht. Mit anderen Worten, Raum-Zeit-Wellenpakete sind der Schlüssel, um de Broglies Traum endlich zu verwirklichen. Indem wir Laserexperimente in dieser Richtung durchführten, beobachteten wir zum ersten Mal sogenannte de Broglie-Mackinnon-Wellenpakete und bestätigten ihre vorhergesagten Eigenschaften.
Was ist einzigartig an Ihren Ergebnissen?
Es gibt mehrere einzigartige Aspekte dieses Papiers. Dies ist das erste Beispiel eines Pulses, der sich unveränderlich in einem Medium mit anomaler Dispersion ausbreitet. Tatsächlich behauptet ein bekanntes Theorem in der Laserphysik aus den 1980er Jahren zu beweisen, dass ein solches Kunststück unmöglich ist. Wir fanden eine Lücke in diesem Theorem, die wir beim Entwerfen unserer optischen Felder ausnutzten.
Auch alle bisherigen gepulsten Felder, die sich unverändert ausbreiten, waren X-förmig. Es wurde lange theoretisiert, dass O-förmige, fortpflanzungsinvariante Wellenpakete existieren sollten, aber sie wurden nie beobachtet. Unsere Ergebnisse zeigen die ersten beobachteten O-förmigen Ausbreitungs-invarianten Wellenpakete.
Das US Office of Naval Research unterstützt Ihre Forschung. Inwiefern sind Ihre Ergebnisse für sie und andere nützlich?
Wir wissen es noch nicht genau. Diese Erkenntnisse haben jedoch praktische Konsequenzen in Bezug auf die Ausbreitung optischer Impulse in dispersiven Medien, ohne dass sie unter den nachteiligen Auswirkungen der Dispersion leiden.
Diese Ergebnisse könnten den Weg zu optischen Tests der Lösungen der Klein-Gordon-Gleichung für massive Teilchen ebnen und sogar zur Synthese von nicht-dispersiven Wellenpaketen unter Verwendung von Materiewellen führen. Dies würde auch neue Sensor- und Mikroskoptechniken ermöglichen.
Was sind die nächsten Schritte?
Diese Arbeit ist Teil einer größeren Studie über die Ausbreitungseigenschaften von Raum-Zeit-Wellenpaketen. Dazu gehört die Langstreckenausbreitung von Raum-Zeit-Wellenpaketen, die wir an der Wissenschafts- und Technologie-Experimentiereinrichtung (TISTEF) des Townes Institute der UCF an der Weltraumküste Floridas testen. Grundsätzlich liegt das optische Spektrum, das wir in unseren Experimenten verwendet haben, auf einer geschlossenen Bahn. Dies wurde noch nie zuvor erreicht und eröffnet den Weg zur Untersuchung topologischer Lichtstrukturen auf geschlossenen Oberflächen.
Mehr Informationen:
Layton A. Hall et al., Beobachtung optischer de Broglie-Mackinnon-Wellenpakete, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01876-6