Šviesa elgiasi ir kaip dalelė, ir kaip banga. Nuo Einšteino laikų mokslininkai bandė tiesiogiai stebėti abu šiuos šviesos aspektus vienu metu. Dabar Lozanos federalinės politechnikos mokyklos (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) mokslininkams pavyko užfiksuoti pirmąją šio dvejopo elgesio nuotrauką.
Kvantinė mechanika teigia, kad šviesa gali elgtis vienu metu kaip dalelė arba kaip banga. Tačiau niekada nebuvo eksperimento, galinčio užfiksuoti abi šviesos prigimtis vienu metu; arčiausiai to priartėjome matydami bangą arba dalelę, bet visada skirtingu metu. Naudodami radikaliai kitokį eksperimentinį požiūrį, EPFL mokslininkai dabar sugebėjo padaryti pirmąją kada nors užfiksuotą šviesos, besielgiančios ir kaip banga, ir kaip dalelė, nuotrauką. Šis proveržis paskelbtas žurnale „Nature Communications“.
Kai ultravioletinė šviesa pasiekia metalinį paviršių, ji sukelia elektronų emisiją. Albertas Einšteinas šį fotoelektrinį efektą paaiškino teigdamas, kad šviesa, kuri laikoma tik banga, taip pat yra dalelių srautas. Nors įvairiais eksperimentais sėkmingai pastebėtas ir dalelių, ir bangų pavidalo šviesos elgesys, mokslininkmas niekada nepavyko stebėti abiejų vienu metu.
Fabrizio Carbone vadovaujama EPFL tyrimų komanda atliko eksperimentą, kurio metu tyrėjai pirmą kartą užfiksavo vieną šviesos, kuri vienu metu elgiasi ir kaip banga, ir kaip dalelių srautas, momentinę nuotrauką.
Eksperimentas atliekamas taip: lazerio šviesos impulsas paleidžiamas į nanometrinio diametro laidininką. Lazeris prideda energijos laidininke esančioms įkrautoms dalelėms, sukeldamas jų vibraciją. Šviesa šiuo mažyčiu laidininku sklinda dviem galimomis kryptimis, kaip automobiliai greitkelyje. Kai priešingomis kryptimis sklindančios bangos susitinka, jos sudaro naują bangą, kuri atrodo tarsi stovi vietoje. Ši stovinti banga tampa eksperimento šviesos šaltiniu, spinduliuojančiu aplink laidininką.
Štai kur ir prasideda eksperimento gudrybė: mokslininkai paleido elektronų srautą arti nanolaidininko, naudodami juos stovinčios šviesos bangos vaizdavimui. Elektronams sąveikaujant su nanolaidininko apribota šviesa, jų greitis arba didėjo, arba mažėjo. Naudodama itin greitą mikroskopą, kad pavaizduotų vietą, kurioje įvyko šis greičio pokytis, tyrėjai galėjo vizualizuoti stovinčią bangą, kuri veikia kaip šviesos banginės prigimties atspaudas.
Nors šis reiškinys rodo banginę šviesos prigimtį, jis tuo pačiu metu parodė ir jos dalelių aspektą. Kai elektronai praeina arti stovinčios šviesos bangos, jie „atsitrenkia“ į šviesos daleles – fotonus. Kaip minėta anksčiau, tai turi įtakos jų greičiui, todėl jie juda greičiau arba lėčiau. Šis greičio pokytis pasireiškia kaip energijos „paketų“ (kvantų) mainai tarp elektronų ir fotonų. Pats šių energijos paketų atsiradimas rodo, kad šviesa ant nanolaidininko elgiasi kaip dalelė.
„Šis eksperimentas parodo, kad pirmą kartą istorijoje galime tiesiogiai filmuoti kvantinę mechaniką – ir jos paradoksalų pobūdį“, – sako Fabrizio Carbone. Be to, šio novatoriško darbo svarba gali apimti ne tik fundamentinį mokslą, bet ir ateities technologijas. Kaip aiškina Carbone: „Galimybė vaizduoti ir valdyti kvantinius reiškinius nanometrų skalėje atveria naują kelią į kvantinius skaičiavimus.“
Daugiau informacijos: „Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field.“ Nature Communications 02 March 2015. DOI: 10.1038/ncomms7407