illusztráció illusztráció

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);

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
3 db 100 mW-os 530 és 405 nm-es, (zöld és ibolya) 1 db 5 mw-os, 650 nm-es (vörös) beállító segéd-lézer

2 db 4 mm átmérőjű, 2 m-es és
2 db 3 mm átmérőjű, 3 és 15 m-es, széles spektrumú, multimódusú üvegszál-köteg

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
8 db optikai tükör, szűrő, polarizátor és lézerforrás-tartó, tapadókorongos elem

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