Інтерференція на двох щілинах у часовому вимірі
Інтерференція на двох щілинах у часовому вимірі
Дослід Юнга, виконаний у 1802 році, продемонстрував явище інтерференції світла на двох щілинах. Завдяки цьому експерименту було доведено хвильову природу світла. Пізніше цей експеримент був повторений у різних варіаціях, зокрема, з одиничними фотонами, або з частинками (електрони, нейтрони, атоми, молекули) замість фотонів. Тепер, група дослідників з Великої Британії, США, Німеччини й Австралії продемонструвала аналогічний експеримент зі щілинами не в просторі, а в часі.
В класичному експерименті, коли світлова хвиля потрапляє на бар’єр, що містить дві вузькі щілини, розділені в просторі, її частота залишається незмінною, але її імпульс змінюється, після дифракції на них. Це означає, що розподіл електричного поля світла на екрані відповідає Фур’є-спектру функції, яка описує форму щілин у просторі.
Натомість, часовий аналог цього явища передбачає фіксований імпульс, але змінну частоту. Матеріал, в якому дві “щілини” швидко з’являються, а потім зникають одна за одною, має змусити вхідні хвилі тримати свій шлях у просторі, але розширюватися за частотою – так звана дифракція в часі. При цьому, частотний спектр є перетворенням Фур’є функції, що описує щілини в часі. Інтерференція відбувається між хвилями на різних частотах, а не в різних просторових положеннях, і породжує смуги.
Експеримент виконано за типовою схемою “збудження-зондування” (pump-probe). Використано фемтосекундні лазерні імпульси ближнього інфрачервоного діапазону (~1300 нм). Імпульс збудження складався з двох коротких імпульсів, час затримки між якими варіювали (500 — 800 фс) і спостерігали відповідні зміни в частотному спектрі імпульсу зондування. Матеріалом, який швидко змінював свої властивості в часі, була тонка плівка (40 нм) оксиду індію й олова (ITO) між скляною підкладкою і напиленим шаром золота.
Крім концептуально нового погляду на класичне явище інтерференції, експеримент виявив значно швидший (1 — 10 фс, тобто порядку періоду оптичної хвилі, який складав 4,4 фс) відгук ITO на оптичне збудження, ніж досі вважали.
Спостереження часової подвійної щілинної дифракції Юнга прокладає шлях до оптичних реалізацій метаматеріалів, що змінюються в часі, та нових реалізацій таких явищ, як невзаємність, нові форми підсилення, інверсія часу, оптична топологія Флоке. Передбачається, що концепцію дифракції на двох щілинах у часі можна поширити на інші хвильові, наприклад хвилі матерії, оптомеханіку й акустику, електроніку й спінтроніку, з очікуваними застосуваннями для формування імпульсів, обробки сигналів, обчислень тощо.
Робота опублікована в журналі Nature Physics:
Tirole, R., Vezzoli, S., Galiffi, E. et al. Double-slit time diffraction at optical frequencies. Nat. Phys. (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-01993-w
Зі змістом роботи можна ознайомитись за посиланням: https://arxiv.org/abs/2206.04362