Kvanttivalo selventää optisen ilmiön alkuperää
Yksi fysiikan vanhimmista aloista on optiikka, valon tutkimus, joka ei ole lakannut yllättämästä tutkijoita. Vaikka valon klassista kuvausta aaltoilmiönä harvoin kyseenalaistetaan, joidenkin optisten ilmiöiden fysikaalisesta alkuperästä keskustellaan edelleen. Fokusoitujen valoaaltojen poikkeavaa käyttäytymistä tutkinut Tampereen yliopiston tutkijaryhmä on vienyt tästä aaltojen perusominaisuudesta käydyn keskustelun kvanttitasolle.
Tutkijat havaitsivat, että nämä kvantisoidut aallot käyttäytyvät merkittävästi eri tavalla kuin klassiset aallot ja niiden avulla myös etäisyysmittauksia voitaisiin suorittaa entistä tarkemmin. Lisäksi tulokset auttavat edistämään keskustelua tämän poikkeavan käyttäytymisen fysikaalisesta alkuperästä. Tulokset on nyt julkaistu arvostetussa Nature Photonics -lehdessä.
– Aiempiin tutkimuksiimme perustuen lähdimme tutkimaan näitä valon kvanttitiloja mittaustarkkuuden parantamiseksi. Oli mielenkiintoista tajuta, että tämän sovelluksen taustalla oleva fysiikka vaikuttaa myös pitkään käytyyn keskusteluun fokusoitujen valokenttien Gouy-vaiheen alkuperästä, kertoo Tampereen yliopiston kokeellisen kvanttioptiikan ryhmän johtaja Robert Fickler.
Kvantisoituneet aallot käyttäytyvät eri tavoin, mutta viittaavat samaan alkuperään
Viime vuosikymmeninä menetelmät valokenttien muokkaamiseen yksittäisten fotonien tasolla ovat kehittyneet huomattavasti. Tämä on johtanut lukemattomiin uusiin tuloksiin, ja harppauksiin ymmärryksessämme optiikan perusteista. Gouy-vaiheesta, eli valon poikkeuksellisesta käyttäytymisestä fokusoitaessa, käydään silti edelleen keskustelua. Tätä keskustelua ei olla vielä saatu päätökseen, vaikka ilmiötä käytetään laajalti optiikan laboratorioissa ja kaupallisissa optisissa järjestelmissä. Tässä tutkimuksessa uutta on, että ilmiö on viety kvanttitasolle.
– Kun kehitimme teoriaa kuvaamaan kokeellisia tuloksiamme, tajusimme (pitkän keskustelun jälkeen), että kvantisoidun valon Gouy-vaihe ei ainoastaan poikkea klassisesta, vaan sen alkuperä voidaan liittää erääseen toiseen kvanttimaailman ilmiöön, kuten jo aiemmin on spekuloitu, väitöskirjatutkija Markus Hiekkamäki.
Tulokset osoittavat, että tutkittu poikkeava käyttäytyminen muuttuu nopeammin valon kvanttitiloilla. Koska tätä Gouy-vaihetta voidaan käyttää valonsäteen kulkeneen etäisyyden määrittämiseen, Gouy-vaiheen nopeutuminen kvantisoituneella valolla voisi mahdollistaa etäisyyksien mittaustarkkuuden parantamisen.
Tämän uuden ymmärryksen myötä tutkijat aikovat kehittää uusia tekniikoita, joilla valon kvanttitilojen mittauskykyä voidaan parantaa ja monimutkaisempia fotonien kvanttitiloja mitata. Ryhmä odottaa, että tämä auttaisi heitä edistämään työssä havaitun ilmiön sovellusten kehittämistä ja mahdollisesti tuomaan esiin lisää eroja kvanttivalokenttien ja klassisten valokenttien välillä.
The Quantum Gouy Phase artikkeli on julkaistu Nature Photonics -julkaisussa 6.10.2022.
Lisätiedot
Markus Hiekkamäki
markus.hiekkamaki [at] tuni.fi
