Naukowcy z międzynarodowego zespołu badawczego, kierowanego przez dr hab. Barbarę Piętkę i prof. Jacka Szczytko z Wydziału Fizyki UW, po raz pierwszy zaprezentowali eksperyment Younga z użyciem światła w przestrzeni odwrotnej. Publikacja w „Physical Reveiw Letters” została wyróżniona przez redaktora czasopisma i zaliczona do prestiżowej grupy artykułów „PRL Editors’ Suggestion”.

− Doświadczenie Younga sprzed prawie 220 lat pokazuje, że światło wychodzące dwiema szczelinami tworzy obraz złożony z wielu powtórzonych prążków, tzw. obraz interferencyjny. Im bliżej siebie są szczeliny, tym dalej od siebie są prążki. W ten sposób dwie szczeliny przekształcają przestrzeń położeń w tzw. przestrzeń odwrotną, czyli przestrzeń kierunków. Zmiana odległości pomiędzy szczelinami zmienia kąt (kierunek), pod jakim na szczelinach ugina się światło – wyjaśnia dr hab. Barbara Piętka.

Od 1801 roku doświadczenie Younga zostało powtórzone nie tylko przy użyciu fotonów, ale i elektronów, atomów, a nawet dużych molekuł. Zdaniem naukowców podobny eksperyment można przeprowadzić w przestrzeni kierunków, czyli odwrotnej. Wtedy wiązki wychodzące z dwóch kierunków również powinny dać okresowy wzór w przestrzeni.

W artykule opublikowanym w „Physical Reveiw Letters” naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, Instytutu Fizyki PAN i Uniwersytetu w Southampton po raz pierwszy zaprezentowali eksperyment Younga z użyciem światła w przestrzeni odwrotnej. − W tym celu wytworzono specjalną mikrownękę optyczną wypełnioną ciekłym kryształem. Mikrownęka to dwa doskonałe lustra położone tak blisko siebie, by wewnątrz powstała stojąca fala elektromagnetyczna. Przy pomocy pola elektrycznego molekuły ciekłego kryształu obrócono w taki sposób, żeby światło przechodzące przez wnękę zmieniało swoją polaryzację z liniowej na dwie kołowe: prawo- i lewoskrętną, przy czym obie polaryzacje kołowe rozchodziły się w nieco innych kierunkach – tłumaczy prof. Jacek Szczytko.

Klasyczne splątanie stopni swobody

Jak podkreśla naukowiec, przypominało to doświadczenie Younga, tym razem jednak rolę szczelin odgrywały dwa wyróżnione kierunki światła w przestrzeni odwrotnej. Na powierzchni próbki, czyli w przestrzeni położeń, zaobserwowano wzór interferencyjny polaryzacji światła złożony z równoległych pasków o jednakowej polaryzacji liniowej. − Wcześniej podobne zjawisko zaobserwowano dla elektronów. Modulacja polaryzacji spinów elektronów w przestrzeni prowadziła do powstania tzw. trwałej helisy spinowej (ang. persistent spin helix). Opis matematyczny takiej helisy dla spinu elektronów i dla polaryzacji światła jest taki sam – dodaje dr hab. Barbara Piętka. Naukowcy zinterpretowali to zjawisko jako klasyczne splątanie stopni swobody – kierunku i polaryzacji światła.

Fundamenty mechaniki kwantowej

Stwierdzenie, że mikrownęka optyczna z ciekłym kryształem w pewnym sensie rozdziela spin światła (rolę spinu odgrywa polaryzacja kołowa) niemal zbiegło się z setną rocznicą odkrycia spinu w słynnym doświadczeniu Sterna i Gerlacha z 1922 roku. W artykule opublikowanym w  „Physical Reveiw Letters” została więc opisana analogia optyczna dwóch fundamentalnych doświadczeń mechaniki kwantowej.