Null-Index-Metamaterialien bieten neue Einblicke in die Grundlagen der Quantenmechanik

In der Physik wie im Leben ist es immer gut, die Dinge aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten.

Seit Beginn der Quantenphysik wurde die Art und Weise, wie sich Licht bewegt und mit Materie um es herum interagiert, hauptsächlich mathematisch durch die Linse seiner Energie beschrieben und verstanden. Im Jahr 1900 verwendete Max Planck Energie, um zu erklären, wie Licht von erhitzten Objekten emittiert wird, eine wegweisende Studie zur Grundlage der Quantenmechanik. 1905 verwendete Albert Einstein Energie, als er das Konzept des Photons einführte.

Aber Licht hat eine andere ebenso wichtige Eigenschaft, die als Impuls bekannt ist. Und wie sich herausstellt, verhält sich Licht auf wirklich interessante Weise, wenn man den Impuls wegnimmt.

Ein internationales Team von Physikern unter der Leitung von Michaël Lobet, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und Eric Mazur, Balkanski-Professor für Physik und angewandte Physik an der SEAS, überprüft die Grundlagen erneut der Quantenphysik aus der Perspektive des Impulses und untersuchen, was passiert, wenn der Impuls des Lichts auf Null reduziert wird.

Die Forschung ist veröffentlicht in Naturlicht: Wissenschaft und Anwendungen.

Jedes Objekt mit Masse und Geschwindigkeit hat einen Impuls – von Atomen über Kugeln bis hin zu Asteroiden – und Impuls kann von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden. Eine Waffe schlägt zurück, wenn eine Kugel abgefeuert wird, weil der Impuls der Kugel auf die Waffe übertragen wird. Auf mikroskopischer Ebene prallt ein Atom zurück, wenn es Licht emittiert, aufgrund des aufgenommenen Impulses des Photons. Der atomare Rückstoß, der erstmals von Einstein beschrieben wurde, als er die Quantentheorie der Strahlung schrieb, ist ein grundlegendes Phänomen, das die Lichtemission bestimmt.

Aber ein Jahrhundert nach Planck und Einstein wirft eine neue Klasse von Metamaterialien Fragen zu diesen grundlegenden Phänomenen auf. Diese Metamaterialien haben einen Brechungsindex nahe Null, was bedeutet, dass Licht, wenn es durch sie hindurchgeht, sich nicht wie eine Welle in Phasen von Gipfeln und Tälern ausbreitet. Stattdessen wird die Welle ins Unendliche gedehnt, wodurch eine konstante Phase entsteht. Wenn das passiert, verschwinden viele der typischen Prozesse der Quantenmechanik, einschließlich des atomaren Rückstoßes.

Wieso den? Es geht alles auf Schwung zurück. In diesen sogenannten Nahe-Null-Index-Materialien wird der Wellenimpuls des Lichts null, und wenn der Wellenimpuls null ist, passieren seltsame Dinge.

„Grundlegende Strahlungsprozesse werden in dreidimensionalen Materialien mit einem Brechungsindex nahe Null gehemmt“, sagt Lobet, der derzeit Dozent an der Universität Namur in Belgien ist. „Wir haben erkannt, dass der Impulsrückstoß eines Atoms in Materialien mit einem Index nahe Null verboten ist und dass zwischen dem elektromagnetischen Feld und dem Atom keine Impulsübertragung zulässig ist.“

Als ob das Brechen einer von Einsteins Regeln nicht genug wäre, brachen die Forscher auch das vielleicht bekannteste Experiment der Quantenphysik – Youngs Doppelspalt-Experiment. Dieses Experiment wird in Klassenzimmern auf der ganzen Welt verwendet, um die Teilchen-Wellen-Dualität in der Quantenphysik zu demonstrieren – es zeigt, dass Licht Eigenschaften sowohl von Wellen als auch von Teilchen aufweisen kann.

In einem typischen Material erzeugt Licht, das durch zwei Schlitze fällt, zwei kohärente Wellenquellen, die interferieren und einen hellen Fleck in der Mitte des Bildschirms mit einem Muster aus hellen und dunklen Streifen auf beiden Seiten bilden, die als Beugungsstreifen bekannt sind.

„Als wir Youngs Doppelspaltexperiment modellierten und numerisch berechneten, stellte sich heraus, dass die Beugungsstreifen verschwanden, wenn der Brechungsindex gesenkt wurde“, sagte Co-Autorin Larissa Vertchenko von der Technischen Universität Dänemark.

„Wie man sieht, hinterfragt diese Arbeit grundlegende Gesetze der Quantenmechanik und untersucht die Grenzen der Welle-Korpuskel-Dualität“, sagte Co-Autor Iñigo Liberal von der öffentlichen Universität von Navarra in Pamplona, ​​Spanien.

Während einige grundlegende Prozesse in Materialien mit Brechungsindex nahe Null gehemmt werden, werden andere verstärkt. Nehmen Sie ein weiteres berühmtes Quantenphänomen – die Heisenbergsche Unschärferelation, die in der Physik genauer als Heisenbergsche Ungleichung bekannt ist. Dieses Prinzip besagt, dass man sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit eines Teilchens nicht mit perfekter Genauigkeit kennen kann und je mehr man über das eine weiß, desto weniger weiß man über das andere. Aber bei Materialien mit einem Brechungsindex von fast Null wissen Sie mit 100%iger Sicherheit, dass der Impuls eines Teilchens Null ist, was bedeutet, dass Sie absolut keine Ahnung haben, wo sich das Teilchen im Material zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet.

„Dieses Material würde ein wirklich schlechtes Mikroskop abgeben, aber es ermöglicht es, Objekte ziemlich perfekt zu verhüllen“, sagte Lobet. „In gewisser Weise werden Objekte unsichtbar.“

„Diese neuen theoretischen Ergebnisse werfen ein neues Licht auf die Photonik mit Brechungsindex nahe Null aus der Momentum-Perspektive“, sagte Mazur. „Es liefert Einblicke in das Verständnis von Licht-Materie-Wechselwirkungen in Systemen mit niedrigem Brechungsindex, was für Laser- und Quantenoptik-Anwendungen nützlich sein kann.“

Die Forschung könnte auch Licht auf andere Anwendungen werfen, darunter Quantencomputer, Lichtquellen, die jeweils ein einzelnes Photon emittieren, die verlustfreie Ausbreitung von Licht durch einen Wellenleiter und mehr.

Das Team beabsichtigt als Nächstes, andere grundlegende Quantenexperimente mit diesen Materialien aus einer Momentum-Perspektive zu überdenken. Obwohl Einstein keine Materialien mit einem Brechungsindex nahe Null vorhersagte, betonte er doch die Bedeutung des Momentums. In seiner bahnbrechenden Arbeit von 1916 über grundlegende Strahlungsprozesse bestand Einstein darauf, dass aus theoretischer Sicht Energie und Impuls „auf völlig gleicher Ebene betrachtet werden sollten, da Energie und Impuls auf die engste Weise miteinander verbunden sind“.

„Als Physiker ist es ein Traum, in die Fußstapfen von Giganten wie Einstein zu treten und ihre Ideen weiter voranzutreiben“, sagte Lobet. „Wir hoffen, dass wir ein neues Werkzeug bereitstellen können, das Physiker verwenden können, und eine neue Perspektive, die uns helfen könnte, diese grundlegenden Prozesse zu verstehen und neue Anwendungen zu entwickeln.“