Свет: волна и частица одновременно - первый снимок!

Мы знаем, что свет ведет себя как частица и как волна, в зависимости от обстоятельств. Это явление известно, как корпускулярно-волновой дуализм света. Со времен Эйнштейна ученые пытались непосредственно наблюдать оба аспекта света. Тем не менее ни один эксперимент за все время не смог уловить обе природы света одновременно. Мы наблюдали как частицу, так и волну света, но в разное время.
Радикально новый подход к эксперименту позволил ученым EPFL сделать первый в истории снимок, на котором свет демонстрирует себя в виде волны и частицы одновременно (снимок выше им не является). Работа была опубликована в Nature Communications.

Когда ультрафиолетовый свет попадает на металлическую поверхность, он вызывает эмиссию электронов. Альберт Эйнштейн объяснил этот «фотоэлектрический» эффект, предположив, что свет — который тогда считался волной — также является и потоком частиц.
Команда ученых под руководством Фабрицио Карбоне из EPFL провела эксперимент, используя электроны для съемки света. Эксперимент оказался удачным: на снимке был запечатлен свет в виде волны и потока частиц одновременно.

  Тот самый снимок

 

Суть эксперимента заключалась в следующем: импульс лазерного света направлялся на крошечный металлический нанопровод. Лазер добавляет энергию заряженным частицам в нанопроводе, заставляя их вибрировать. Свет проходит через этот крошечный провод в двух возможных направлениях, подобно машинам на шоссе. Когда волны, которые движутся в противоположных направлениях, встречаются, они образуют новую волну, которая выглядит так, будто застыла на месте. Эта стоячая волна и стала источником света для эксперимента.

Ученые направили поток электронов близко к нанопроводу, используя их для снимка стоячей волны света. Когда электроны взаимодействовали со стоячей волной, они либо ускорялись, либо замедлялись. Используя сверхбыстрый микроскоп для съемки позиции, в которой происходило это изменение скорости, команда Карбоне смогла визуализировать стоячую волну, которая стала своего рода отпечатком волновой природы света.

Одновременно это явление также визуализирует и частицы в этом потоке. Когда электроны проходят близко к стоячей волне, они «попадают» в частицы света, фотоны. Как мы уже отметили, это влияет на их скорость, заставляя их двигаться быстрее или медленнее. Это изменение в скорости проявляется как обмен энергетическими «пакетами» (квантами) между электронами и фотонами. Само проявление этих энергетических пакетов демонстрирует, что свет ведет себя как частица.

«Этот эксперимент впервые показывает, что мы можем снимать квантовую механику — и ее парадоксальную природу — напрямую. Способность снимать и манипулировать квантовыми явлениями в наномасштабах открывает новый маршрут к квантовым вычислениям»  — говорит Фабрицио Карбоне. Важность этой новаторской работы выходит за рамки фундаментальной науки и ведет нас к будущим технологиям.