Sikeres fotonhasítás (videóval)

| 2012. november 13. 3:59 | Frissítve:

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!

Spontaneous Parametric Down-conversion (Entangled photons) Spontaneous Parametric Down-conversion (Entangled photons) Spontaneous Parametric Down-conversion (Entangled photons)
Spontaneous Parametric Down-conversion (Entangled photons) Spontaneous Parametric Down-conversion (Entangled photons) Spontaneous Parametric Down-conversion (Entangled photons)

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




Kapcsolódó hírek

  • Zivatarok érkeztek délről Szerte az országban zivatartevékenység jellemző.
  • Még a radar is látta a sikertelen rakétakísérletet Csütörtök délután kudarcba fulladt a SpaceX rakétatesztje - az eredményt még a meteorológusok is látták a radaron.
  • Kvantum-radar Közel másfél év után folytatjuk a "Fénynél is gyorsabban" c. cikkünket, nem kevés új meglepetéssel szolgálva. Figyelem! Egész estés olvasmány, kizárólag ínyenceknek és fanatikusoknak.
  • 3 dimenziós radart fejlesztünk Egy éve működik Pozsonyban tűsugaras lokátorunk, az új változat már magassági letapogatást is végez majd. Videóval!

Nálad milyen az idő?

Van egy jó időjárás képed?

Tölts fel fotót!

Figyelmeztetés:

Riasztás

Mikor jön a tél?

Még nem
🍁

hirdetés
Legutóbbi észlelések

Nálad milyen az idő?

Hirdetés

© Copyright Időkép Kft. 2004–2017. Adaptive Média Facebook Twitter Google+
Impresszum | Médiaajánlat | Szerzői jogi közlemény | Elvihető tartalmak