Επιδεικνύοντας τον δυϊσμό κύματος-σωματιδίων σε φωτοανιχνευτές

Από σελίδα του UniSci 10 Ιανουαρίου 2001

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα της κβαντικής θεωρίας είναι ότι τα αντικείμενα πρέπει να έχουν τις ιδιότητες των σωματιδίων και των κυμάτων: Τα πράγματα που αντιμετωπίζονται συνήθως ως σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια ή τα άτομα, παρουσιάζουν την κβαντική ή την μη-κλασσική, φύση τους υπό τη  μορφή κυματικών φαινομένων.

Αντιθέτως, το φως, που μπορεί συνήθως να περιγραφεί από μια κυματική εξίσωση κυμάτων, παρουσιάζει τη μη-κλασσική πλευρά του με το να ενεργήσει όπως ένα σωματίδιο.

Στα περισσότερα πειράματα οπτικής, ακόμη και εκείνα που περιλαμβάνουν τα λέιζερ, το φως παράγει μόνο κλασσικά φαινόμενα, τα οποία μπορούν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας τον ηλεκτρομαγνητισμό του 19ου αιώνα.
Παραδείγματος χάριν, ένας ανιχνευτής λέιζερ διόδων του Supermarket εκπέμπει περίπου 10¹⁵ φωτόνια/sec. Όταν ένα τέτοιο ρεύμα φωτονίων συναντάει έναν ημι-επαργυρωμένο καθρέφτη, το μισό από το φως θα ανακλαστεί και το μισό θα συνεχίσει να διαδίδεται. Με τόσα πολλά φωτόνια, η μεμονωμένη σωματιδιακή φύση των σωματιδίων είναι κρυμμένη όταν ανιχνεύονται τα φωτόνια στις φωτοδιόδους που βρίσκονται πίσω από κάθε θύρα εξόδου του καθρέπτη-διαχωριστή της ακτίνας.

Εάν η αρχική ακτίνα λέιζερ αντικατασταθεί με μια πηγή ενιαίων φωτονίων, τότε η ιστορία είναι διαφορετική: Ένα μεμονωμένο φωτόνιο μπορεί να έχει τότε μια ισοδύναμη πιθανότητα να πάει προς καθέναν ανιχνευτή, αλλά θα καταχωρηθεί μόνο στον ένα -- ένα σίγουρο σημάδι της κβαντικής συμπεριφοράς.

Κάποιος μπορεί να εξετάσει αυτά τα ζητήματα πιό βαθειά με τη χρησιμοποίηση των πεπλεγμένων ζευγών φωτονίων.

Ο Kevin Resch, Jeff Lundeen και Aephraim Steinberg στο Πανεπιστήμιο του Τορόντου στέλνουν το υπεριώδες (UV) φως σε ένα ειδικό κρύσταλλο στο οποίο ένα μοναδικό UV φωτόνιο μπορεί να παραγάγει δύο κόκκινα φωτόνια σε μια διαδικασία αποκαλούμενη κάτω μετατροπή (down-conversion).

Ένα από τα κόκκινα φωτόνια είναι κάθετα πολωμένο και το άλλο είναι οριζόντια πολωμένο. Τα φωτόνια μεταξύ τους μπορούν να έχουν χρονοκαθυστέρηση, ανάλογα με το πάχους του διπλοθλαστικού υλικού (που μπορεί να στρέψει τον προσανατολισμό ενός φωτεινού κύματος) που διαπερνάται από το φωτόνιο.

Με τη ρύθμιση της καθυστέρησης μεταξύ των φωτονίων, οι ερευνητές ήταν σε θέση να αλλάξουν τον αριθμό των ζευγών φωτονίων που προκύπτουν από ένα συμβολόμετρο χωρίς αλλαγή της έντασης, ή τη φωτεινότητα, της ακτίνας.

Χάρις στην εγγενή μη γραμμική απόκριση των ανιχνευτών, το φαινόμενο αυτό της κβαντικής παρέμβασης, έγινε φανερό εκ των υστέρων στο ρυθμό της μέτρησης  ενός απλού ανιχνευτή-- ένα φαινόμενο που ποτέ πριν δεν είχε παρατηρηθεί.

Οι ερευνητές θεωρούν ότι η δυνατότητα να παρατηρηθούν τέτοιες μη γραμμικές αποκρίσεις σε φωτοανιχνευτές στο επίπεδο μοναδικού φωτονίου μπορεί να είναι χρήσιμη στη μελέτη της μη αλληλουχίας (συνάφειας) στον φωτοανιχνευτή όπως και για την παροχή μιας πειραματικής βάσης για μια ακριβέστερη θεωρητική περιγραφή για τον φωτοανιχνευτή.