Le chemin rouge montre une trajectoire de lumière en boucle exotique à travers une structure à trois fentes, ce qui a été observé pour la première fois dans la nouvelle étude. Crédit :Magaña-Loaiza et al. Communication Nature
(Phys.org)—Les physiciens ont réalisé une variante de la célèbre expérience à double fente vieille de 200 ans qui, pour la première fois, implique des "trajectoires en boucle exotiques" de photons. Ces photons voyagent vers l'avant à travers une fente, puis faites une boucle et revenez à travers une autre fente, puis parfois reboucler et avancer à travers une troisième fente.
De façon intéressante, la contribution de ces trajectoires en boucle à la figure d'interférence globale conduit à un écart apparent par rapport à la forme habituelle du principe de superposition. Cet écart apparent peut être compris comme une application incorrecte du principe de superposition - une fois que l'interférence supplémentaire entre les trajectoires en boucle et droites est prise en compte, la superposition peut être correctement appliquée.
L'équipe de physiciens, dirigé par Omar S. Magaña-Loaiza et Israel De Leon, a publié un article sur la nouvelle expérience dans un récent numéro de Communications naturelles.
Boucles de lumière
"Notre travail est la première observation expérimentale de trajectoires en boucle, " De Leon a dit Phys.org . « Les trajectoires en boucle sont extrêmement difficiles à détecter en raison de leur faible probabilité d'occurrence. Auparavant, les chercheurs avaient suggéré que ces trajectoires exotiques pourraient exister mais ne les ont pas observées. »
Pour augmenter la probabilité d'occurrence de trajectoires en boucle, les chercheurs ont conçu une structure à trois fentes qui supporte les plasmons de surface, que les scientifiques décrivent comme "des champs électromagnétiques fortement confinés qui peuvent exister à la surface des métaux". La présence de ces champs électromagnétiques à proximité des trois fentes augmente la contribution des trajectoires en boucle à la figure d'interférence globale de près de deux ordres de grandeur.
"Nous avons fourni une explication physique qui lie la probabilité de ces trajectoires exotiques aux champs proches autour des fentes, " a déclaré De Leon. " En tant que tel, on peut augmenter la force des champs proches autour des fentes pour augmenter la probabilité que les photons suivent des trajectoires en boucle."
Principe de superposition prenant en compte les trajectoires en boucle
La nouvelle expérience à trois fentes avec des trajectoires en boucle n'est qu'une des nombreuses variantes de l'expérience originale à double fente, joué pour la première fois par Thomas Young en 1801. Depuis lors, les chercheurs ont réalisé des versions qui utilisent des électrons, atomes, ou des molécules au lieu de photons.
L'une des raisons pour lesquelles l'expérience de la double fente a attiré tant d'attention est qu'elle représente une manifestation physique du principe de superposition quantique. L'observation que des particules individuelles peuvent créer un motif d'interférence implique que les particules doivent traverser les deux fentes en même temps. Cette capacité à occuper deux places, ou des États, immediatement, est la caractéristique déterminante de la superposition quantique.
Trajectoires rectilignes (vert) et trajectoires en boucle exotiques (rouge, en pointillé, pointillé) de lumière, où le nuage rouge près de la surface représente les champs proches, qui augmentent la probabilité des photons de suivre des trajectoires en boucle. Les graphiques de gauche montrent des simulations (en haut) et des résultats expérimentaux (en bas) de la grande différence dans les modèles d'interférence créés par l'éclairage d'une seule fente traitée indépendamment (ligne grise) et le système couplé réel (ligne bleue). La différence remarquable entre les lignes grises et bleues est causée par les trajectoires en boucle. Crédit :Magaña-Loaiza et al. Communication Nature
Jusque là, toutes les versions précédentes de l'expérience ont produit des résultats qui semblent être décrits avec précision par le principe de superposition. En effet, les trajectoires en boucle sont si rares dans des conditions normales que leur contribution au schéma d'interférence global est généralement négligeable, et donc appliquer le principe de superposition à ces cas donne une très bonne approximation.
C'est lorsque la contribution des trajectoires bouclées devient non négligeable qu'il apparaît que l'interférence totale n'est pas simplement la superposition de fonctions d'onde individuelles de photons avec des trajectoires droites, et ainsi la figure d'interférence n'est pas correctement décrite par la forme habituelle du principe de superposition.
Magaña-Loaiza a expliqué plus en détail cette apparente déviation :
"Le principe de superposition est toujours valable - ce qui n'est pas valable, c'est l'application inexacte du principe de superposition à un système à deux ou trois fentes, " il a dit.
« Depuis deux siècles, les scientifiques ont supposé que l'on ne peut pas observer d'interférence si une seule fente est éclairée dans un interféromètre à deux ou trois fentes, et c'est parce que ce scénario représente le cas habituel ou typique.
"Toutefois, dans notre article, nous démontrons que cela n'est vrai que si la probabilité des photons de suivre des trajectoires en boucle est négligeable. Étonnamment, des franges d'interférence se forment lorsque des photons suivant des trajectoires en boucle interfèrent avec des photons suivant des trajectoires droites (directes), même lorsqu'une seule des trois fentes est éclairée.
"Le principe de superposition peut être appliqué à ce scénario surprenant en utilisant la somme ou 'superposition' de deux fonctions d'onde; l'une décrivant une trajectoire droite et l'autre décrivant des trajectoires en boucle. Ne pas prendre en compte les trajectoires en boucle représenterait une application incorrecte du principe de superposition .
"Dans une certaine mesure, cet effet est étrange car les scientifiques savent que Thomas Young a observé des interférences lorsqu'il a illuminé les deux fentes et pas une seule. Cela n'est vrai que si la probabilité que les photons suivent des trajectoires en boucle est négligeable."
En plus d'avoir un impact sur la compréhension des physiciens du principe de superposition tel qu'il est appliqué à ces expériences, les résultats révèlent également de nouvelles propriétés de la lumière qui pourraient avoir des applications pour les simulateurs quantiques et d'autres technologies qui reposent sur des effets d'interférence.
"Nous pensons que les chemins bouclés exotiques peuvent avoir des implications importantes dans l'étude des mécanismes de décohérence en interférométrie ou pour augmenter la complexité de certains protocoles de marches aléatoires quantiques, simulateurs quantiques, et d'autres algorithmes utilisés dans le calcul quantique, " a déclaré De Léon.
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