Svjetlost se ponaša i kao čestica i kao val. Od Einsteinovih dana, naučnici pokušavaju izravno promatrati oba ova aspekta svjetlosti u isto vrijeme. Sada su i uspjeli, istraživači s EPFL-a uspjeli su snimiti prvi snimak ovog dvojnog ponašanja.
Eksperiment je uključivao ispaljivanje laserske svjetlosti na mikroskopsku metalnu nanožicu čime je njezinom dužinom svjetlost u vidu vala putovala naprijed i natrag.
Kada UV svjetlost udari u metalnu površinu, uzrokuje emisiju elektrona. Albert Einstein je objasnio ovaj “fotoelektrični” efekt predlažući da je svjetlost – za koju se misli da je samo val – također tok čestica. Iako su različiti eksperimenti uspješno promatrali ponašanje svjetlosti nalik česticama i valovima, nikada nisu bili u mogućnosti promatrati oboje u isto vrijeme.
Istraživački tim predvođen Fabriziom Carboneom iz EPFL-a sada je proveo eksperiment s pametnim zaokretom: korištenjem elektrona za prikaz svjetlosti. Istraživači su prvi put ikad uhvatili jednu sliku svjetlosti koja se istovremeno ponaša i kao val i kao mlaz čestica.
Eksperiment je postavljen ovako: puls laserskog svjetla ispaljuje se na sićušnu metalnu nanožicu. Laser dodaje energiju nabijenim česticama u nanožici, uzrokujući njihovo vibriranje. Svjetlost putuje duž ove malene žice u dva moguća smjera, poput automobila na autocesti. Kada se valovi koji putuju u suprotnim smjerovima susreću jedan s drugim, tvore novi val koji izgleda kao da stoji na mjestu. Ovdje ovaj stajaći val postaje izvor svjetlosti za eksperiment, zrači oko nanožice.
Tu dolazi do trika eksperimenta: naučnici su ispalili struju elektrona blizu nanožice, koristeći ih za prikaz stajaćeg vala svjetlosti. Kako su elektroni stupali u interakciju s ograničenim svjetlom na nanožici, oni su ili ubrzavali ili usporavali. Koristeći ultrabrzi mikroskop za snimanje položaja na kojem je došlo do ove promjene brzine, Carboneov tim je sada mogao vizualizirati stajaći val, koji djeluje kao otisak prsta valne prirode svjetlosti.
Iako ovaj fenomen pokazuje valovitu prirodu svjetlosti, istovremeno je pokazao i njezin aspekt čestica. Kako elektroni prolaze blizu stajaćeg vala svjetlosti, oni “udaraju” u čestice svjetlosti, fotone. Kao što je gore spomenuto, to utječe na njihovu brzinu, tjerajući ih da se kreću brže ili sporije. Ova promjena brzine pojavljuje se kao razmjena energetskih “paketa” (kvanta) između elektrona i fotona. Sama pojava ovih energetskih paketa pokazuje da se svjetlost na nanožici ponaša kao čestica.
“Ovaj eksperiment pokazuje da, po prvi put ikada, možemo izravno snimiti kvantnu mehaniku – i njezinu paradoksalnu prirodu”, kaže Fabrizio Carbone. Osim toga, važnost ovog pionirskog rada može se proširiti izvan temeljne znanosti i na buduće tehnologije. Kako Carbone objašnjava: “Mogućnost predočiti i kontrolirati kvantne fenomene na nanometarskoj skali poput ove otvara novi put prema kvantnom računanju.”
Izvor: Nature Communications