Naukowcy przepuścili światło lasera przez szczeliny w czasie. „To było coś, czego nie mogliśmy wyjaśnić”

Nowy eksperyment to nawiązanie do demonstracji sprzed ponad dwóch stuleci, w której strumień światła przechodzi przez dwie szczeliny na płaszczyźnie. Na skutek tego, powstaje wzór dyfrakcji (czyli ugięcia się światła wokół krawędzi otworu), gdzie „górki” i „dołki” fali świetlnej dodają się lub wzajemnie znoszą. Teraz, w nowej wersji tego eksperymentu, badaczom udało się stworzyć podobny wzór w czasie.

Angielski naukowiec Thomas Young był tym, który po raz pierwszy zademonstrował falową naturę światła. Zrobił to, przeprowadzając w 1801 roku klasyczny dziś eksperyment „podwójnej szczeliny". Polega on na tym, że gdy światło pada na płaszczyznę, w której wycięte są dwie szczeliny, fale świetlne zmieniają kierunek. Efektem jest nakładanie się fal wychodzących z jednej szczeliny na fale przechodzące przez drugą. Na skutek nakładania się na siebie fal powstaje wzór określany jako „wzór interferencyjny”.

W nowych badaniach przedstawionych w czasopiśmie Nature Physics naukowcy wykorzystali tlenek indowo-cynowy (ITO). To materiał, który jest używany powszechnie przy tworzeniu większości ekranów telefonów. Naukowcy wiedzieli już wcześniej, że ITO może zmieniać swoje właściwości i z gazu przezroczystego stawać się takim, który odbija światło. Teraz odkryto, że proces ten zachodzi zdecydowanie szybciej, niż wcześniej sądzono, a mianowicie w czasie krótszym niż 10 femtosekund (10 milionowych części jednej miliardowej sekundy).

W nowym badaniu pod przewodnictwem fizyka Riccardo Sapienza z Imperial College London zespół naukowców odtworzył wspomniany wzór interferencyjny w czasie, emitując impuls lasera wycelowanego w powierzchnię pokrytą tlenkiem ITO. Początkowo tlenek ten był przezroczysty, ale na skutek zetknięcia ze światłem lasera zmienił właściwości elektronów uległy zmianie w taki sposób, że tlenek ITO odbijał światło jak lustro. Następnie wyemitowano kolejną wiązkę lasera, która trafiła w powierzchnię pokrytą tlenkiem ITO. To pozwoliło na zaobserwowanie, jak nastąpiła trwająca zaledwie kilkaset femtosekund zmiana właściwości optycznych, co zarejestrowano jako szczelinę w czasie. Tym samym materiał zachowywał się tak, jakby miał dwie szczeliny w czasie, co jest zachowaniem identycznym do tego, jakie zaobserwowano w przypadku światła w 1801 roku.

Gdy światło przechodzi przez szczeliny wycięte w substancji stałej, takiej jak np. kartonowy ekran zmienia kierunek i rozchodzi się wachlarzowo. W tym przypadku jednak, w miarę jak światło przechodziło przez „szczeliny czasowe", zmieniało ono swoją częstotliwość, która jest odwrotnie związana z długością jego fali. To właśnie długość fali światła widzialnego określa jego kolor.

Jak relacjonuje Riccardo Sapienza:

To zresztą nie pierwszy raz, kiedy naukowcy udało się manipulować światłem nie w przestrzeni, a w czasie. Na przykład naukowcy z Google twierdzą, że ich komputer kwantowy „Sycamore" stworzył tzw. kryształ czasu, czyli nową fazę przejściową materii, która zmienia się okresowo w czasie, w przeciwieństwie do atomów ułożonych w regularny wzór w przestrzeni.

Dzięki temu odkryciu, nasze zrozumienie fundamentalnej natury światła i jego interakcji z materiałami jest od teraz pełniejsze. Oprócz tego może ono także przyczynić się do fundamentalnej zmiany w funkcjonowaniu komputerów, które mogłyby zapisywać dane nie w postaci cyfrowych bitów, a jako informacje zapisane w wiązkach światła. Według teoretyków może to także sprawić, że komputery będą zdolne do „uczenia się" z danych prowadzenia obliczeń neuromorficznych, czyli takich, które naśladują pracę ludzkiego mózgu. Ponadto zaobserwowane zjawiska mają potencjał, by posłużyć do stworzenia metamateriałów, czyli struktur zaprojektowanych tak, aby zmieniać drogę światła w specyficzny i wyrafinowany sposób.