Оптическое отклонение Штерна-Герлаха и эксперимент Юнга во взаимном пространстве

Путем приложения электрического напряжения к микрополости молекулы жидкого кристалла внутри могли вращаться таким образом, что свет, проходящий через полость, был вынужден изменить свое внутреннее состояние на компоненты с правой и левой круговой поляризацией.

Эксперимент Юнга для фотонов в обратном пространстве. Соответствующие паттерны отжима к упорному вращению Helix. Предоставлено: Матеуш Крол, физический факультет UW.

Эксперимент Янга, проведенный почти 220 лет назад, показывает, что, когда световые волны проходят через две щели в пластине, они претерпевают дифракцию, которая создает изображение, состоящее из множества полос (так называемое интерференционное изображение).

Чем ближе щели друг к другу, тем дальше разделяются интерференционные полосы. Таким образом, две щели преобразуют информацию о свете из пространственного положения в так называемое «обратное пространство» – пространство направлений. Изменение расстояния между прорезями изменяет угол (и, следовательно, направление), под которым дифрагирует свет. С 1801 года эксперимент Юнга проводится не только со светом, но и с электронами, атомами и даже большими молекулами.

Оказывается, аналогичный эксперимент можно провести в обратном пространстве, где световые лучи, испускаемые в двух направлениях, также должны приводить к периодическому шаблону в пространстве позиций.

Ученые из Варшавского университета, Военного технологического университета в Варшаве, Института физики Польской академии наук и Университета Саутгемптона продемонстрировали эксперимент Юнга для фотонов в обратном пространстве. Для этого был подготовлен специальный оптический микрорезонатор, заполненный жидким кристаллом.

Микрополость состоит из двух совершенных зеркал, расположенных так близко друг к другу, что внутри образуется стоячая электромагнитная волна. Путем приложения электрического напряжения к микрополости молекулы жидкого кристалла внутри могли вращаться таким образом, что линейно поляризованный плоский волновой свет, проходящий через резонатор, был вынужден изменить свое внутреннее состояние на компоненты с правой и левой круговой поляризацией, которые отклонялись в противоположные направления от исходного пути луча.

Это было похоже на ситуацию эксперимента Юнга, но на этот раз роль щелей сыграли два выделенных направления света в «обратном пространстве». На поверхности образца, то есть в «позиционном пространстве», наблюдалась интерференционная картина поляризации света, состоящая из линейно поляризованных полос.

Ранее подобное явление наблюдалось для электронов – модуляция поляризации спинов электронов в позиционном пространстве приводила к образованию так называемой устойчивой спиновой спирали.

Оказалось, что микрополость жидкого кристалла привела к одному и тому же математическому описанию такой спирали для спина электрона и для поляризации света. Ученые интерпретировали это явление как классическое запутывание двух степеней свободы – направления и поляризации света.

Наблюдение за тем, что оптический микрорезонатор с жидким кристаллом в некотором роде разделяет «спин» света – причем круговая поляризация играет роль спина – почти совпало со 100-летием открытия спина в знаменитом эксперименте Штерн и Герлах в 1922 году. Таким образом, в одной работе наблюдалась оптическая аналогия двух фундаментальных экспериментов квантовой механики.