A fény részecskeként és hullámként is viselkedik. Einstein óta a tudósok sokszor megpróbálták közvetlenül egyszerre megfigyelni a fény e két aspektusát. Most az EPFL tudósainak sikerült elsőként pillanatképet készíteniük erről a kettős viselkedésről.
A kvantummechanika azt mondja, hogy a fény egyszerre viselkedhet részecskeként és hullámként is. Azonban még soha nem volt olyan kísérlet, amely képes lett volna a fény mindkét természetét egyszerre megragadni; a legközelebb ehhez a hullám vagy a részecske megfigyelése volt, de mindig különböző időpontokban. Egy radikálisan eltérő kísérleti megközelítést alkalmazva az EPFL tudósai most először tudtak pillanatképet készíteni a fény hullámként és részecskeként való viselkedéséről.
Az áttörést jelentő munka a Nature című folyóiratban jelent meg.
Amikor az UV-fény fémfelületre ér, elektronkibocsátást okoz. Albert Einstein ezt a „fotoelektromos” hatást azzal magyarázta, hogy a fény – amelyet csak hullámnak gondolnak – szintén részecskeáram. Bár számos kísérlet sikeresen megfigyelte a fény részecske- és hullámszerű viselkedését, soha nem sikerült mindkettőt egyszerre megfigyelni.
Egy klasszikus jelenség új megközelítésben
Az EPFL Fabrizio Carbone vezette kutatócsoportja most egy okos kísérletet végzett: elektronokat használtak a fény képalkotására. A kutatóknak most először sikerült egyetlen pillanatfelvételt készíteniük a fényről, amely egyszerre viselkedik hullámként és részecskeáramként is.
A kísérlet a következőképpen van beállítva: Egy lézerfény impulzust irányítanak egy apró fém nanodrótra. A lézer energiát ad a nanodrótban lévő töltött részecskékhez, ami rezgésbe hozza őket. A fény ezen az apró vezetéken két lehetséges irányban terjed, mint az autók az autópályán. Amikor az ellentétes irányban haladó hullámok találkoznak egymással, egy új hullámot alkotnak, amely úgy néz ki, mintha egy helyben állna. Itt ez az állóhullám válik a kísérlet fényforrásává, amely a nanodrót körül sugárzik.
Itt jön be a kísérlet trükkje: A tudósok elektronsugarat lőttek ki a nanodrót közelébe, és ezekkel képalkották a fény állóhullámát. Ahogy az elektronok kölcsönhatásba léptek a nanodróthoz kötött fénnyel, vagy felgyorsultak, vagy lelassultak. Az ultragyors mikroszkóp segítségével, amely leképezte azt a helyet, ahol ez a sebességváltozás bekövetkezett, Carbone csapata képes volt megjeleníteni az állóhullámot, amely a fény hullámtermészetének ujjlenyomataként működik.
Bár ez a jelenség a fény hullámszerű természetét mutatja, egyidejűleg részecske aspektusát is mutatja. Ahogy az elektronok elhaladnak a fény állóhulláma közelében, „eltalálják” a fény részecskéit, a fotonokat. Amint fentebb említettük, ez befolyásolja a sebességüket, gyorsabbá vagy lassúbbá téve őket. Ez a sebességváltozás energia „csomagok” (kvantumok) cseréjeként jelenik meg az elektronok és a fotonok között. Maga ezen energiacsomagok előfordulása is azt mutatja, hogy a fény a nanodróton részecskeként viselkedik.
„Ez a kísérlet azt bizonyítja, hogy most először filmezhetjük közvetlenül a kvantummechanikát – és annak paradox természetét – mondja Fabrizio Carbone. Ráadásul ennek az úttörő munkának a jelentősége túlmutathat az alaptudományon és a jövő technológiáira is. Ahogy Carbone kifejti: – Az, hogy képesek vagyunk ilyen nanométeres léptékű kvantumjelenségeket leképezni és irányítani, új utat nyit a kvantum-számítástechnika felé.”
Ez a munka az EPFL Ultragyors Mikroszkópia és Elektronszórás Laboratóriuma, a Trinity College (USA) Fizikai Tanszéke és a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium Fizikai és Élettudományi Igazgatósága együttműködésének eredménye. A képalkotást az EPFL ultragyors energiaszűrésű transzmissziós elektronmikroszkópjával végezték – a világon kettő közül az egyikkel.
