Группа физиков из Южной Кореи экспериментально подтвердила справедливость соотношений, описывающих то, в какой степени фотон может быть интерпретирован как частица или волна. Для этого они воспользовались результатами опытов в схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой. Работа опубликована в Science Advances, краткое ее изложение приводит Phys.org.
Корпускулярно-волновой дуализм – это концепция, описывающая свойство микроскопических объектов проявлять себя по-разному при интерпретации их поведения через классические категории «частица-волна». Такое «странное» поведение было причиной бурных дискуссий среди физиков в начале XX века, пока, наконец, оно не было удовлетворительно объяснено через квантовую механику, где состояние любого объекта описывается через векторы (лучи) гильбертова пространства, а для полного описания явлений, в которых он участвует, необходимо два взаимоисключающих набора классических понятий (принцип дополнительности Бора).
Несмотря на это, ученые продолжали исследовать корпускулярно-волновой дуализм. Главным образом их интересовало количественное описание степени того, чем именно – волной или частицей – можно считать объект (для таких объектов был введен даже отдельный термин, «квантон»). В первых теоретических работах это делалось в контексте знаменитого мысленного эксперимента о пролете электрона или фотона через две щели. Степень «волновости» оценивали по резкости (видимости) интерференционной картины, а «частичности» – по предсказуемости траектории.
На практике физики проводят аналогичный эксперимент, только вместо двух щелей они используют светоделитель (для фотонов), который направляет потоки в разные плечи интерферометра. Со временем физиков стали интересовать количественные соотношения дополнительности для сложных систем, где могут возникать запутанные состояния нескольких квантонов. Оказалось, что свойства дополнительности в них тесно связаны со степенью запутанности, однако до недавнего времени не существовало экспериментального свидетельства такой связи.
В своей новой работе команда физиков из Института фундаментальных наук, Южная Корея, под руководством Тай Хён Юн (Tai Hyun Yoon) предложила использовать оптическую схему, использованную ими для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности. Схема состоит из двух СПР-кристаллов, которые подвергаются синхронизированной лазерной накачке равной амплитуды. На выходе из кристаллов физики смогли получить одиночные сигнальные фотоны в суперпозиционном состоянии с управляемой когерентностью, сопряженные с фотонами в холостой моде. Фотонная мода смешивает состояние квантона, причем степенью этого смешивания можно управлять с помощью затравочного лазера и контролировать с помощью фотоприемников. Фактически, холостые фотоны служат детектором того, по какому из плечей идут сигнальные фотоны.
Авторы обратили внимание, что данные, полученные ими ранее на этой установке, могут быть использованы для исследования связи видимости, предсказуемости и запутанности. Они провели теоретический анализ, подтвердивший связь этих величин, выведенную ранее их предшественниками для других физических систем. Управляя числом фотонов в холостых модах с помощью маломощного затравочного лазера, а следовательно, и чистотой состояний сигнальных фотонов, авторы убедились, что экспериментальные данные с хорошей точностью описываются выведенными соотношениями.
Физики отмечают, что продемонстрированная ими схема может быть полезна для приложений, где требуется производить манипуляции удаленными запутанными состояниями только оптическими методами. Они также надеются, что проведенная ими работа станет существенным шагом к пониманию феномена корпускулярно-волновой дуальности и принципа дополнительности, а также снимет налет загадочности с двухщелевого эксперимента, которым наделил его еще Фейнман в своих знаменитых лекциях.
За прошедший век существования квантовой механики физики продолжают делать открытия, затрагивающие ее основы. Так, мы уже рассказывали, как они подтвердили принцип дополнительности для атомов и убедились в существовании «неклассических» траекторий в эксперименте с тремя щелями.
Марат Хамадеев
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.