L'impulsion canonique et les densités de spin dans l'interférence de deux ondes de gravité. (A) Schéma de la configuration expérimentale pour l'observation du mouvement des particules dans les ondes de surface de l'eau interférentes. (B) Propriétés de spin et d'impulsion de deux ondes de gravité interférentes avec des fréquences, des amplitudes et des vecteurs d'ondes orthogonaux égaux k1 et k2. Le tracé théorique montre les distributions de la densité d'impulsion canonique P et de la densité de spin S (tableau 1). Des tracés numériques et expérimentaux décrivent des trajectoires de particules microscopiques pour trois périodes d'onde 6π/ω. La dérive de Stokes des particules et leur mouvement elliptique correspondent respectivement à la quantité de mouvement canonique et au spin. Les paramètres sont x˜=2–√ kx, y˜=2–√ k y et ω/2π =6 Hz. a.u., unités arbitraires. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm1295
Les ondes d'eau peuvent être utilisées pour visualiser des concepts fondamentaux, tels que le moment cinétique de spin, qui apparaissent dans la théorie relativiste des champs, ont montré les physiciens du RIKEN. Cela aidera à fournir de nouvelles informations sur des systèmes de vagues très différents.
Introduit pour la première fois il y a près d'un siècle, le concept de moment cinétique de spin, ou spin, est d'une importance cruciale en physique quantique et sous-tend les domaines émergents de la spintronique et de l'informatique quantique. En physique au lycée, le spin d'un électron est généralement décrit comme l'électron tournant sur son axe, semblable à une toupie. Mais une description plus complète du spin est plus abstraite et ne se résume pas à de simples images.
Maintenant, Konstantin Bliokh du RIKEN Theoretical Quantum Physics Laboratory et ses collègues ont montré que le spin peut apparaître comme de petits mouvements circulaires de particules d'eau dans les vagues d'eau. Leurs recherches sont publiées dans Science Advances .
"Nous avons été surpris que nos collaborateurs de l'Université nationale australienne aient pu observer cet effet dans des expériences si facilement", explique Bliokh. "Des phénomènes similaires en optique et en acoustique ont tendance à être trop petits pour être observés, mais avec des vagues d'eau, tout a une taille de quelques millimètres et vous pouvez l'observer avec vos yeux. C'est la beauté de cette expérience."
C'était aussi inattendu parce que le concept de spin vient des mathématiques qui décrivent la théorie relativiste des champs et ne s'applique pas directement aux vagues d'eau. Mais les chercheurs ont pu montrer qu'il existe un lien mathématique entre les vagues d'eau et la théorie formelle du moment cinétique de spin. Comme c'est souvent le cas en physique, divers phénomènes qui semblent totalement indépendants peuvent être reliés par des mathématiques communes.
"C'est bien d'avoir une image unifiée des différents systèmes d'ondes et de voir les parallèles entre eux", déclare Bliokh. "Cette approche éclaire la physique derrière différents phénomènes et pourrait être très fructueuse pour le développement futur de différents domaines." Il note que les informations peuvent circuler dans les deux sens et que nous pourrions en apprendre davantage sur la dynamique des fluides à partir de la connexion.
Bliokh considère également que la démonstration pourrait être utile pour l'enseignement de la théorie quantique des champs. "Des quantités comme la densité de spin sont dérivées de manière très abstraite. Cela apparaît dans certaines équations, mais vous observez des choses totalement différentes dans les expériences", explique Bliokh. "Pour la première fois, nous avons observé directement la densité de spin dans les vagues d'eau. C'est donc vraiment une plate-forme pour visualiser les propriétés qui sont cachées dans la théorie quantique des champs."
L'équipe explore actuellement comment la théorie des champs peut être utilisée pour acquérir de nouvelles connaissances sur d'autres types d'ondes classiques. Améliorer la manipulation des microparticules par le son
