Schema experimentală: două atomi izolați, aflați într-o cameră de vid, sunt iluminați de un fascicul laser și acționează ca două fante. Interferența luminii împrăștiate este înregistrată cu o cameră de mare sensibilitate, reprezentată ca un ecran.
Lumina incoerentă apare ca fundal și implică faptul că fotonul a acționat ca o particulă, trecând doar printr-o fantă.
Credit: Wolfgang Ketterle, Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee și Jiahao Lyu
Oamenii de știință de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au efectuat cea mai clară demonstrație de până acum a celebrului experiment cu două fante. Folosind doi atomi izolați pe post de fante, ei au dedus calea fotonului prin măsurarea unor schimbări subtile ale proprietăților atomilor după împrăștierea fotonului.
Rezultatele lor s-au potrivit cu predicțiile teoriei cuantice: franje de interferență atunci când calea nu a fost observată, două pete luminoase atunci când a fost.
Realizat pentru prima dată în anii 1800 de Thomas Young, experimentul cu două fante a fost reluat de nenumărate ori.
Configurația sa este simplă: trimiți lumină către o pereche de fante într-un ecran și observi ce se întâmplă. Rezultatul însă este uimitor.
Dacă lumina trece prin fante fără să fie observată, așa cum s-a întâmplat în experimentul original al lui Young, apare un model de interferență, cu franje luminoase și întunecate, asemenea valurilor suprapuse într-un iaz.
Notă: Probabil o întrebare pentru cei care nu sunt fizicieni ar putea fi: ce înseamnă „a observa” într-un asemenea context? „A observa” în contextul experimentului dublei fante nu înseamnă „a privi cu ochiul liber”, ci este vorba despre o interacțiune fizică ce furnizează informație despre calea urmată de foton.
Concret, experimental, asta poate însemna mai multe lucruri:
1. Montarea de detectoare la nivelul fantelor – se pot pune senzori (de exemplu, fotodetectoare sau dispozitive care înregistrează impulsul transferat) care să indice prin ce fantă a trecut fotonul. În clipa în care obții această informație, fie și parțial, modelul de interferență dispare.
2. Măsurarea indirectă prin interacțiuni – în unele experimente, fantele sunt realizate cu atomi sau molecule. Dacă fotonul interacționează cu un atom, acesta poate primi un mic impuls (recul). Măsurând acest recul, deduci prin ce fantă a trecut fotonul. Chiar dacă nu „vezi” fotonul direct, faptul că poți deduce calea lui înseamnă că informația există în sistem, iar interferența dispare.
3. Polarizare sau marcaje cuantice – fotonii pot fi trimiși prin fante cu filtre de polarizare diferite. Dacă polarizarea la ieșire îți spune prin ce fantă a trecut fotonul, atunci informația este disponibilă și modelul de interferență nu mai apare.
4. Interacțiuni cu mediul – și dacă fotonul lasă o urmă în mediu (ex. excită o moleculă de aer, un electron etc.), în principiu se creează informație despre calea sa. Aceasta e suficientă pentru a distruge interferența, chiar dacă nimeni nu „citește” efectiv acea informație.
Așadar, dacă observi prin ce fantă trece lumina, așa cum a propus Albert Einstein într-un „experiment mental” din anii '20 și cum alți fizicieni au demonstrat ulterior în laborator, franjele dispar în favoarea a două pete luminoase. Prin urmare, faptul că lumina se comportă ca o undă (franje) sau ca o particulă (pete) depinde de observare. Realitatea însăși pare să se schimbe prin simplul act al observării.
Marea dezbatere Einstein–Bohr
Einstein nu a fost de acord și a dezbătut intens subiectul cu Niels Bohr. Potrivit lui Einstein, observarea are efect doar pentru că introduce zgomot. El a sugerat că dacă fantele ar fi montate pe arcuri, reculul lor ar putea dezvălui calea fotonului fără a distruge franjele.
Bohr a contracarat afirmând că măsurarea reculului fotonului cu suficientă precizie pentru a-i dezvălui calea ar estompa pozițiile fantelor și ar șterge interferența. Pentru el, aceasta nu era o limitare tehnologică, ci o lege a naturii – mai exact, propriul său principiu al complementarității, care afirmă că sistemele cuantice pot manifesta comportament de undă sau de particulă, dar niciodată pe ambele simultan.
Fizicienii au creat numeroase versiuni ale experimentului de atunci, iar de fiecare dată rezultatele au confirmat poziția lui Bohr. Totuși, zgomotul inevitabil din setările reale a lăsat loc de îndoială cu privire la caracterul cu adevărat fundamental al acestei reguli contraintuitive.
Atomii ca fante
Pentru a marca Anul internațional al științei și tehnologiei cuantice, fizicieni de la MIT au efectuat direct experimentul mental al lui Einstein. Ei au început prin răcirea a peste 10.000 de atomi de rubidiu aproape de zero absolut și prin captarea lor într-o rețea generată de laser, astfel încât fiecare să împrăștie lumina. Dacă un fascicul slab de lumină era trimis prin această rețea, un singur foton putea fi împrăștiat de un atom.
Deoarece fasciculul era atât de slab, echipa putea colecta foarte puține informații per ciclu experimental. Aceasta a fost partea cea mai dificilă. A trebuit repetat experimentul de mii de ori pentru a strânge suficiente date.
În fiecare astfel de experiment, cheia a fost controlul cantității de informație despre calea fotonului pe care atomii o furnizau. Echipa a reușit acest lucru ajustând capcanele laser pentru a regla „imprecizia” (eng. fuzziness) poziției atomilor. Atomii puternic fixați aveau poziții bine definite și, conform principiului incertitudinii al lui Heisenberg, nu puteau oferi multe detalii despre traiectoria fotonului. În aceste experimente apăreau franje. În schimb, atomii fixați mai slab aveau o incertitudine mai mare a poziției și puteau să se miște, ceea ce însemna că un atom lovit de un foton putea păstra o urmă a interacțiunii. Această înregistrare vagă era suficientă pentru a colapsa franjele de interferență, rămânând doar puncte. Încă o dată, Bohr a avut dreptate.
Deși acesta este primul experiment care măsoară lumina împrăștiată de atomi prinși, spune că este primul care repetă măsurătorile după ce capcanele au fost eliminate, lăsând atomii să plutească liberi. Aceasta a mers mai departe decât ideea lui Einstein privind fantele montate pe arcuri și (deoarece rezultatele nu s-au schimbat) a eliminat posibilitatea ca, în fapt, capcanele să fi interferat cu observarea.
Echipa de la MIT dorește acum să observe ce se întâmplă atunci când în rețea sunt doi atomi pe fiecare sit, nu unul singur. Interacțiunile dintre atomi la fiecare sit ar putea să ne ofere rezultate interesante.
Echipa descrie experimentul în Physical Review Letters
Abstract: We study light scattering of atomic wave packets in free space and discuss the results in terms of atom-photon entanglement and which-way information. Using ultracold atoms released from an optical lattice, we realize a Gedanken experiment which interferes single photons scattering off of Heisenberg uncertainty-limited wave packets. We unify the free-space and trapped-atom pictures by measuring the light scattered before and during wave packet expansion and show the coherence properties of the scattered light are independent of the presence of the trap. Therefore, recoilless scattering in a trap (Mössbauer effect), the different frequency of sidebands, and the excitation of an excited harmonic oscillator state are not essential to the question of which fraction of light scattering is coherent or incoherent. Our experiment demonstrates the potential of using atomic Mott insulators to create single-atom wave packets for fundamental studies.
Traducere și adaptare după PhysicsWorld
