Эксперимент с двумя щелями развернули во временную область

Физики экспериментально продемонстрировали двухщелевую интерференцию светового импульса во временной области. В этом опыте роли двух щелей играли два пика в зависимости отражательной способности зеркала на основе оксида индия-олова от времени, инициированные двумя импульсами накачки. Работа авторов не только подтвердила принципиальную возможность интерференции во временной области, но и показала, что этот эксперимент позволяет рекордно точно измерять время нелинейного отклика среды на оптическую накачку. Исследование опубликовано в Nature Physics.

В начале XX века Эйнштейн показал, что пространство и время равноправны и связаны в четырехмерный континуум. Вместе с тем первые успехи квантовой механики касались преимущественно стационарных состояний физических систем, то есть таких, чья динамика тривиальна. Даже первая версия динамического уравнения — уравнение Шрёдингера — была нерелятивистской и выделяла время в отдельную сущность, а зависящие от времени задачи физики решали, раскладывая искомую волновую функцию по состояниям с определенной энергией.

Основной причиной такого положения дел можно считать больше значение скорости света в привычных человеку системах единиц. Один метр пространства при лоренц-преобразовании эквивалентен примерно 3,3 наносекунды на временной шкале. Такая разница масштабов обусловила то, что в большинстве феноменов, таких, как интерференция или дифракция, время традиционно не играет особой роли.

Сегодня ситуация меняется благодаря тому, что у физиков появляются приборы и материалы, способные помочь исследовать временные аналоги множества известных феноменов. Мы уже рассказывали о таких явлениях, как кристаллы времени (аналог обычных кристаллов) или фотонные временные кристаллы (аналог фотонных кристаллов). Интересны также исследования рефракции во временной области в материалах с близким к нулю показателем преломления.

Физики из Англии, Германии и США под руководством Джона Пендри (John Pendry) и Риккардо Сапиенца (Riccardo Sapienza) из Имперского колледжа Лондона решили развить эту тему. Они задались вопросом, как будет вести себя плоская световая волна, если подвергнуть ее двухщелевой интерференции во временной области?

Двухщелевой опыт играет важную роль в концептуализации идей классической и квантовой физики. В изначальном варианте его провел Юнг, направляя световые волны на преграду с двумя щелями и наблюдая интерференционную картинку на экране. Фейнман использовал мысленный аналог этого эксперимента с электроном, чтобы проиллюстрировать идею квантовой интерференции. Дословная реализация фейнмановского эксперимента в лаборатории случилась только в 2013 году, хотя само явление квантовой интерференции было многократно подтверждено в иных опытах.

Когда свет проходит через две щели, распределение интенсивности на экране в дальнем моле можно описать с помощью Фурье-преобразования апертурной функции. Оно выглядит как набор пятен, которые можно трактовать как расщепление падающей моды на несколько мод одинаковой частоты, но с разным значением поперечной компоненты волнового вектора (или, если угодно, импульса фотона). Идея нового эксперимента заключалась в том, чтобы повернуть этот процесс на 90 градусов в координатах пространство-время. Согласно задумке физиков, если плоская световая волна будет подвергнута модуляции диэлектрических свойств среды, выглядящих как два импульса (или провала) во временной области, это приведет к расщеплению мод по частотам с сохранением компоненты волнового вектора.

Чтобы создать такую модуляцию, ученые использовали 40-нанометровую пленку оксида индия-олова, нанесенную на стеклянную подложку и покрытую 100-нанометровым золотым слоем. Эта структура играла роль переменного зеркала для импульсов с частотой 230,2 терагерца, падающих на нее под углом 60 градусов. В обычном режиме зеркало отражало 8 процентов излучения, однако под влиянием фемтосекундной импульсной накачки на той же частоте отражаемость достигала 60 процентов при интенсивности накачки примерно равной 124 гигаватт на квадратный сантиметр.

Таким образом, два импульса накачки играли роль двух щелей во временной области, в то время как роль экрана и распределения интенсивности на нем играл спектр отраженного света. Эксперимент показал, что спектр зондирующего излучения действительно уширяется и приобретает до 10 новых эквидистантных пиков, причем частота модуляции тем больше, чем больше интервал времени между импульсами накачки.

Для того, чтобы воспроизвести спектры теоретически, физикам требовалось подвергнуть преобразованию Фурье зависимость отражательной способности от времени. При этом физики не знали времени нарастания отклика пленки на накачку и использовали ее в качестве свободного параметра. Результат подгонки теории под эксперимент показал хорошее согласие. При этом выяснилось, что нарастание отклика происходит практически мгновенно — об этом свидетельствовал спад амплитуды боковых компонент, зависящей от разности частот по закону обратного квадрата.

Физики оценили время нарастания в 1-10 фемтосекунд, что существенно меньше, чем в получали авторы предыдущих работ. Таким образом, помимо чисто концептуальной ценности эксперимент с двухщелевой интерференции открывает дорогу к исследованию динамики отклика на оптическое воздействие с небывалым ранее временным разрешением. Кроме того, видимость интерференционной картины можно использовать для измерения фазовой когерентности излучения подобно тому, как это делается в традиционной интерферометрии. Наконец, дифракцию такого рода можно наблюдать и для других типов волн: звуковых, электронных, волн материи и так далее.

Несмотря на свою богатую историю исследований, щелевой эксперимент продолжает служить источником новых знаний. Ранее мы рассказывали, как при прохождении фотона через три щели вклад в получаемую в результате интерференционную картину дают и невозможные с точки зрения классической физики траектории.