Sikeres fotonhasítás (videóval)
Az Időkép mini optikai laboratóriumában sikerült létrehoznunk és lencsevégre kapnunk a Kvantum-radar kísérlethez szükséges, téridőben szétvált fotonokat.
Közel két évvel a kvantumfizika józan ésszel alig felfogható határterületeit bemutató, és egyben saját, további kísérleteket javasló 2010-es, Kvantum-radar cikkünk megjelenése után kicsiny, - de éppúgy saját - laboratóriumunkban végre sikerült létrehoznunk és kimutatnunk a téridőben kettéválasztott ikerpár fényrészecskéket. Olyasmi ez, mint a "Vissza a jövőbe" c. filmben a fluxus-kondenzátor - ez minden további kísérlet és vizsgálat alapja, nélküle meg sem lehetett volna kezdeni a hiperűr mélyét kutató - elvben talán működő -, ám kissé őrülten hangzó, mégis épp emiatt oly vonzó, talán még idő-dimenziókon is átívelő távérzékelési eszközünk prototípusának megépítését.
Bár a világon több, általában milliárdos költségvetésű kvantumoptikai laboratóriumban hasítanak fotonokat, tudomásunk szerint hazánkban elsőként sikerült nem csak létrehozni és detektálni, hanem még videóra is venni a lézer-kristályból kilépő, téridőben összefonódott foton-ikerpárok széles spektrumú, szivárványos eloszlását.
Az alábbi videón a 2 éve zajló Kvantum-radar kísérlet (eddigi) eredményeit láthatjuk.
A felvételek megtekintését HD 720p minőségben javasoljuk!
Kiválóan megfigyelhető, hogy a vakítóan erős, kristályon áthaladó, UV-közeli lézernyaláb és a vele szembeállított fényképező optikai tengelyének hiperfinom eltolásával a halványsárgán fluoreszkáló, 435 nm-es színszűrő mögött előbb felsejlik, sőt, később fel is fénylik a téridőben szétvált fotonok mély infra, majd látható vörös, később sárga, végül élénk zöld ragyogó sugara. Ezek már olyan fotonok, melyek egyszerre két helyen vannak jelen az általunk megfigyelhető téridőben!
A fotók teljes méretű (12 Mpixeles) változatai - (1) (2) (3) (4) (5) (6)
| Fotonhasítás – (PDC, SPDC) |
| Más (tudományos) néven Prarametrikus Fluoreszencia, vagy Parametrikus Lekonvertálás. Jellemzően nemlienáris kristályokban, különleges fény-anyag kölcsönhatásban létrejövő folyamat; indukálható segédlézerrel, vagy kialakulhat spontán vákuum-fluktuációk eredményeképp (Spontaneous Parametric Down-conversion). |
| Az SPDC két jellemző formája |
|
TYPE-I (a signal és idler fotonpár energia- és momentum korrelációban áll, ám lineáris polarizációjuk azonos és előre meghatározott – merőleges az eredeti lézersugár polarizációjára); a Kvantum-radar kísérlet első prototípusában ezt fogjuk használni |
|
Type-II (dupla, egymásra merőlegesen polarizált kristályrétegekre jellemzően 45°-ban beeső lineáris polarizációjú lézer két, egymásra merőleges polarizációjú, összefonódott fotonpárt kelt, melyek nem csak energia- és impulzus, hanem polarizációs korrelációban is állnak egymással.) További információk - Wikipédia |
És hogy pontosan mit is láthatunk a videón, illetve a képeken? Egy rendkívül erős (a kézi lézer-mutatóknál kb. 300x nagyobb energiájú), aktívan hűtött, vakítóan kékes-mélylila színű, UV-közeli (405 nm-es) hullámhosszú lézernyaláb egy 5x5x3 mm-es béta-bárium borát (BBO) kristályon halad keresztül. A fotonok döntő része semmiféle kölcsönhatásba nem lép a látszólag áttetsző anyaggal, hanem eredeti hullámhosszával és irányával halad tovább a térben. Azonban néhány - konkrétan mindössze minden ezer milliárdomodik(!) fényrészecskével valami nagyon különös és alig felfogható történik valahol a kristály mélyén. Ezek a fotonok ugyanis "kettéválnak" és a kristályból már más-más hullámhosszú (színű), és eltérő térirányú fény-részecskeként lépnek ki. És hogy mi ebben az igazán elképesztő? Az, hogy az a "két" foton valójában egy és ugyanaz marad. Csak éppen dimenzionálisan elkülönülnek - innentől máshol vannak, térben és időben egyaránt. Ha az egyikkel történik valami, akkor a másikkal is azonnal; mindegy, hogy milyen messze vannak egymástól. Kísérletek sora bizonyítja azt, hogy ezt a fénysebességtől függetlenül teszik. A két foton egy és ugyanaz. Csak máshol és talán máskor - a mi érzékeink szerint.
Visszatérve a felvételekre, a kettéhasadó, 405 nm-es UV-közeli fotonok döntő részben a 810 nm-es infra-tartományban keletkeznek legnagyobb számban, de egy nagyon kis részük a látható spektrumban is megfigyelhető.
A fotonhasítás folyamata ugyanis - annak minden észbontó következménye mellett - nagyon is szépen illeszkedik a klasszikus fizikai energia- és impulzus-megmaradási törvényeihez (még tömeg híján is). Ez azt jelenti, hogy egy 405 nm-es, kék foton nem csak két, feleakkora energiájú, 810 nm-es fény-részecskére válhat szét, hanem például egy hozzá közeli energiájú (530 nm-es, látható zöld), és egy 1000 nm-nél is nagyobb hullámhosszú, kisebb energiájú, nagyon mély infravörös fény-részecskévé. Ez viszont a kristályból való kilépésük szögére is hatással van; a nagyobb energiájú meredekebb, az alacsonyabb energiájú pedig keskenyebb szöget zár be az eredeti lézersugárral, amikor tovább halad a téridőben - ezért is kaphatunk például a fényképezési szög megváltoztatásával a fehér (kevert) napfényt felbontó prizma keltette szivárványhoz hasonló képet; ám itt teljesen eltérő fizikai folyamatról van szó.
Fontos még az is, hogy - bár bozonokról lévén szó, a tömeg itt nem értelmezett - a kettéváló ikerpárok impulzusmomentum-vektorai (az előzőekkel összhangban) együttesen mindig kiadják az eredeti, kettéhasadó UV-közeli foton energiavektorát; emiatt aztán egy síkban is maradnak az eredeti nyalábbal (egyszerűsítve, ha egy zöld fotont érzékelünk a kék nyalábtól vízszintenesen jobbra, akkor annak mély-infra párja tükrözve, vízszintesen balra lenne detektálható; míg ha függőlegesen felfelé látnánk ugyanazt, akkor előre tudhatnánk, hogy párja pont 180°-os szimmetriában a kék lézersugárra, lefelé lenne elcsíphető).
| Az Időkép mini kvantum-optikai laboratóriumának kellékei | |
| Lézerek | Fényvezető kábelek |
|
1 db 300 mW-os, 405 nm-es UV-közeli forráslézer |
2 db 4 mm átmérőjű, 2 m-es és |
| Kristályok | Detektorok |
|
1 db BBO 5x5x3 mm- TYPE-I SHG / SPDC 1 db BBO(2) 6x6.02 mm- TYPE-II SPDC |
1 db átalakított Canon EOS 1100-D fényképező, 1000 nm-es spektrális érzékenységi kiterjesztéssel 1 db Gamma-, Béta és Röntgen sugárzás detektor |
| Optikai szűrők, nyalábosztók | Opto-mechanikai elemek |
|
5 db lineáris polarizációs szűrő 2 db polarizáló nyalábosztó 3 db 720, 810 és 850 nm-es (Infra) felüláteresztő szűrő 1 db Schott GG 475nm-es (sárga) felüláteresztő szűrő és 1 db GG 435 nm-es (UV-abszorpciós, reflektív) szűrő |
2 db Thorlabs miliRadián precizitású pan/tilt (kéttengelyű) lézerkristály-tartó és beállító |
| Biztonsági védőfelszerelések | Távérzékelési eszköz |
|
3 db 650 nm-es (vörös) lézer-védő szemüveg 2 db 450 nm-es (sárga) lézer-védő szemüveg Láthatatlan fény-nyalábokat kimutató UV, IR fluoreszcens indikátorok Radioaktív sugárzás-mérő |
Optikai üvegszlas kábel-injektorral felszerelt, átalakított csillagászati Skywatcher 130/650 Az/Goto robot-távcső |
A következő nagy kihívást az jelentette, hogy az ikerpárok egyik "felét" üvegszálas optikai kábelbe gyűjtsük, hogy továbbítani lehessen őket a mélyűr felé fordítandó, átalakított csillagászati távcső felé. Ennek a távcsőnek ismét van egy különleges tulajdonsága; ahelyett, hogy begyűjtené a távoli csillagok és galaxisok múltból érkező fényét, éppen ezzel ellentétesen működik majd - fényt bocsájt ki a jövő felé. Méghozzá olyan, kettéhasított fényt, amely a fent leírt módon létrehozott fél-fotonokból áll és amelynek másik "fele" - azaz ikerpárjaik - itt maradnak nálunk, a jelenben - az Időkép kvantumfizikai laborjában, fényképezőgépünk kíváncsi lencséje előtt.
Az üvegszálas begyűjtés és továbbítás problémáját már sikerült megoldanunk - a mellékelt képek (makrofotók) a közel 15 méteres optikai kábel mindössze 3 milliéter átmérőjű (mégis, ezernyi egyedi szálat hordozó)végéről készültek, teljesen egyértelműen mutatják, hogy az ikerpárok eljutnak majd a lézerkristálytól a távcső tükréig.
A felvétel-sorozat HD1080p felbontásban is elérhető itt
Jelenleg a távcső vezérlésén, illetve a fényképező szinkronizálásán dolgozunk, hogy a hiperűr-térirány méréseit össze lehessen majd párosítani az égbolt deklinációs és rektaszcenziós koordinátáival - már persze, ha egyáltalán működőképes az elmélet. És hogy mit fog látni a távcső (mely a laborban maradó egységgel valójában a kvantum-radar prototípusa) - ha a józan ésszel ellentétben, a kvantumfizikával viszont talán összhangban, esetleg mégis működik?
Cikkünket a válasszal hamarosan folytatjuk, de a hihetetlennek tűnő megfejtést sok olvasónk valószínűleg már sejti. Még egy pikáns részlet - az így megépített Kvantum-radart stílusosan 2012. december 21-én tervezzük először bekapcsolni.
Kísérleteinket a csillagászati távcső illesztésével folytatjuk, a lassan összeálló rendszerről készült fotókkal / videókkal várhatóan néhány héten belül jelentkezünk. Természetesen addig is várjuk érdeklődő nézőink véleményét, észrevételeit - Köszönjük!
2012. november 12.
Nagy Gergely
Időkép.hu
