Optiske fundamenter opplyst av kvantelys

Optikk, studiet av lys, er et av de eldste feltene innen fysikk og har aldri sluttet å overraske forskere. Selv om den klassiske beskrivelsen av lys som et bølgefenomen sjelden stilles spørsmål ved, er den fysiske opprinnelsen til noen optiske effekter. Et team av forskere ved Tammerfors universitet har brakt diskusjonen om en grunnleggende bølgeeffekt, debatten rundt den unormale oppførselen til fokuserte lysbølger, til kvantedomenet.

Forskerne har vært i stand til å vise at kvantebølger oppfører seg vesentlig annerledes enn sine klassiske motstykker og kan brukes til å øke presisjonen på avstandsmålinger. Funnene deres bidrar også til diskusjonen om fysisk opprinnelse av den unormale fokusatferden. Resultatene er nå publisert i Naturfotonikk.

“Interessant nok startet vi med en idé basert på våre tidligere resultater og satte oss for å strukturere kvantelys for forbedret målingspresisjon. Imidlertid innså vi at den underliggende fysikken til denne applikasjonen også bidrar til den lange debatten om opprinnelsen til Gouy-faseanomalien til fokuserte lysfelt,” forklarer Robert Fickler, gruppeleder for den eksperimentelle kvanteoptikkgruppen ved Tampere University.

Kvantebølger oppfører seg annerledes, men peker på samme opprinnelse

I løpet av de siste tiårene har metoder for å strukturere lysfelt ned på enkeltfotonnivået blitt enormt modnet og ført til et utall av nye funn. I tillegg er det oppnådd et bedre fundament for optikken. Den fysiske opprinnelsen til hvorfor lys oppfører seg på en så uventet måte når man går gjennom et fokus, den såkalte Gouy-faseanomalien, diskuteres fortsatt ofte. Dette til tross for dens utbredte bruk og betydning i optiske systemer. Nyheten i den nåværende studien er nå å sette effekten inn i kvantedomenet.

“Da vi utviklet teorien for å beskrive våre eksperimentelle resultater, innså vi (etter en lang debatt) at Gouy-fasen for kvantelys ikke bare er annerledes enn standarden, men dens opprinnelse kan knyttes til en annen kvanteeffekt. Dette er akkurat som hva som ble spekulert i et tidligere arbeid,” legger doktorgradsforsker Markus Hiekkamäki, ledende forfatter av studien.

I kvantedomenet øker den uregelmessige oppførselen sammenlignet med klassisk lys. Siden Gouy-faseoppførselen kan brukes til å bestemme avstanden en lysstråle har forplantet seg, øker hastigheten til kvante-Gouy fase kunne gi mulighet for en forbedring i presisjonen ved måling av avstander.

Med denne nye forståelsen for hånden, planlegger forskerne å utvikle nye teknikker for å forbedre deres måleevner slik at det vil være mulig å måle mer komplekse stråler av strukturerte fotoner. Teamet forventer at dette vil hjelpe dem å presse frem anvendelsen av den observerte effekten, og potensielt synliggjøre flere forskjeller mellom kvante- og klassiske lysfelt.

---

---

Levert av Tampere University