Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció
A fény kettős természete egyetlen pillanatfelvételen
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Anyag-időszak
A fény és az anyagi részecskék viselkedését mikroszkopikus szinten leíró kvantumfizika egyik — a hétköznapi szemlélet számára meghökkentő — sajátossága a hullám-részecske dualizmus, amely abban nyilvánul meg, hogy mind a fény, mind az anyagi részecskék hullámként és részecskeként egyaránt viselkedhetnek. Más megfogalmazásban: egyidejűleg hullámok és részecskék — ám ezt az egyidejű kettősséget korábban nem sikerült kísérletileg közvetlenül kimutatni, csupán olyan, különböző időpontokban elvégzett mérések voltak, amelyekben hol a hullámszerű, hol a részecskeszerű tulajdonságok nyilvánultak meg. A fény esetében például a diffrakció, az interferencia, a polarizáció egyértelműen hullámtulajdonságok, de már a fényelektromos effektus csak a fény részecskeként viselkedő elemi energiakvantumaival, a fotonokkal magyarázható. Egy a korábbiaktól gyökeresen különböző „trükkös" eljárással most a Lausanne-i Szövetségi Műszaki Egyetem (EPFL) Fabrizio Carbone által vezetett kutatócsoportjának a világon először sikerült olyan pillanatfelvétel-sorozatot készítenie, amelyen a fény hullám- és részecskeszerű tulajdonságai egyidejűleg láthatók. A kutatók erről beszámoló tanulmánya a Nature Communicatíons-ben jelent meg.
Az ezüst-nanoszálban kialakult állóhullám térbeli eloszlása (fent),
illetve az elektronok és a nanoszálhoz kötött FPP-k közti
kvantált energiacsere metszeti képe (alul) KÉP: FABRIZIO CARBONE/EPFL
A kísérlet sikere azon a szokatlan eljáráson alapult, hogy egy különleges, nanoléptékben lokalizált fényforrásról az EPFL ultrasebes transzmissziós elektronmikroszópjának elektronjaival alkottak képet. A kísérleti elrendezésben parányi, grafitlemezen elhelyezett ezüst-nanoszálat bombáztak ultrarövid, femtoszekundumos lézerimpulzusokkal: ennek hatására a fémnanoszál felületén a vezetési elektronok hullámszerű rezgésbe jönnek, amelyben sűrűsödések és ritkulások váltják egymást a gerjesztő fénynél rövidebb hullámhosszal (nagyobb frekvenciával). A fémben lévő szabad elektronok kollektív oszcillációjához (a plazmonokhoz) szorosan csatolódik egy a fém—dielektrikum határfelületére merőleges irányban kilépő, térben exponenciálisan lecsengő (tovatűnő vagy eveneszcens) elektromágneses sugárzási tér (a polariton) is, amelynek elektromos térerősségvektora a felületre merőleges. Az így kialakuló, nanoléptékben lokalizált elektromágneses térszerkezet a felületi plazmon polariton (FPP), amely a fényhez és egyéb kvantumrészecskékhez hasonlóan szintén duális természetű, azaz hullám- és részecskeszerű tulajdonságokat is mutat. Ezt sikerült most a svájci kutatóknak közvetlenül is leképezni.
Maguk a felületi plazmonok a nanoszál mentén két egymással ellentétes irányba terjedhetnek, és a szál két végéről visszaverődve, s egymással interferálva állóhullámokat hozhatnak létre, amelyekről a transzmissziós elektronmikroszkóp elektronsugarával hagyományos módon kép alkotható.
Az elektronok a nanoszál közelében elhaladva az állóhullámokat létrehozó plazmonok elektromos terét érzékelik, s annak hatására gyorsulnak vagy lassulnak: a sebességváltozás térfüggése így pontról pontra kimérhető, s ebből kirajzolódik a nanoszálban kialakult állóhullám képe, amely a plazmonok hullámtermészetét mutatja.
És most jön a „trükk": ezzel párhuzamosan ugyanis feltérképezhető az elektronok sebességváltozásának folyamata is, ebből pedig látható, hogy az az elektronok és a polaritonok közötti kvantált „energiacsomagok" cseréjével valósul meg.
„Ez az első olyan kísérlet, amely a kvantumvilágban közvetlenül láthatóvá teszi a hullámszerű és részecskeszerű tulajdonságok egyidejű megnyilvánulását — nyilatkozta Carbone. — A kvantumjelenségek nanoléptékű nyomonkövetése és szabályozása pedig új utakat nyithat a fotonika, az optikai adattárolók és bioszenzorok, továbbá a kvantumszámítógépek fejlesztése terén."
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Anyag-időszak
--------------
Forrás: actu.epfl,ch/news/the-first-ever-photograph-of-light-as-both-a-parti/
Élet és Tudomány ■ 2015/13 ■ 387