(Phys.org)—I fisici hanno eseguito una variazione del famoso esperimento della doppia fenditura vecchio di 200 anni che, per la prima volta, coinvolge "traiettorie ad anello esotiche" di fotoni. Questi fotoni viaggiano in avanti attraverso una fenditura, quindi fai un giro e torna indietro attraverso un'altra fessura, e poi a volte gira di nuovo intorno e viaggia in avanti attraverso una terza fessura.

interessante, il contributo di queste traiettorie ad anello al modello di interferenza complessivo porta ad un'apparente deviazione dalla forma usuale del principio di sovrapposizione. Questa apparente deviazione può essere intesa come un'applicazione errata del principio di sovrapposizione:una volta presa in considerazione l'interferenza aggiuntiva tra traiettorie ad anello e diritte, la sovrapposizione può essere applicata correttamente.

Il team di fisici, guidato da Omar S. Magaña-Loaiza e Israel De Leon, ha pubblicato un articolo sul nuovo esperimento in un recente numero di Comunicazioni sulla natura.

Cerchi di luce

"Il nostro lavoro è la prima osservazione sperimentale di traiettorie ad anello, " De Leon ha detto Phys.org . "Le traiettorie ad anello sono estremamente difficili da rilevare a causa della loro bassa probabilità di accadimento. In precedenza, i ricercatori avevano suggerito che queste traiettorie esotiche potessero esistere ma non le osservavano".

Per aumentare la probabilità che si verifichino traiettorie ad anello, i ricercatori hanno progettato una struttura a tre fenditure che supporta i plasmoni di superficie, che gli scienziati descrivono come "campi elettromagnetici fortemente confinati che possono esistere sulla superficie dei metalli". La presenza di questi campi elettromagnetici vicino alle tre fenditure aumenta di quasi due ordini di grandezza il contributo delle traiettorie ad anello alla figura di interferenza complessiva.

"Abbiamo fornito una spiegazione fisica che collega la probabilità di queste traiettorie esotiche ai campi vicini intorno alle fenditure, " De Leon ha detto. "Come tale, si può aumentare la forza dei campi vicini attorno alle fenditure per aumentare la probabilità che i fotoni seguano traiettorie ad anello".

Principio di sovrapposizione che tiene conto delle traiettorie ad anello

Il nuovo esperimento a tre fenditure con traiettorie in loop è solo una delle tante varianti dell'esperimento originale a doppia fenditura, eseguita per la prima volta da Thomas Young nel 1801. Da allora, i ricercatori hanno eseguito versioni che utilizzano elettroni, atomi, o molecole invece di fotoni.

Uno dei motivi per cui l'esperimento della doppia fenditura ha attirato così tanta attenzione è che rappresenta una manifestazione fisica del principio di sovrapposizione quantistica. L'osservazione che le singole particelle possono creare uno schema di interferenza implica che le particelle debbano viaggiare attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente. Questa capacità di occupare due posti, o Stati, subito, è la caratteristica distintiva della sovrapposizione quantistica.

Finora, tutte le versioni precedenti dell'esperimento hanno prodotto risultati che sembrano essere accuratamente descritti dal principio di sovrapposizione. Questo perché le traiettorie ad anello sono così rare in condizioni normali che il loro contributo allo schema di interferenza complessivo è generalmente trascurabile, e quindi applicando il principio di sovrapposizione a quei casi si ottiene un'approssimazione molto buona.

È quando il contributo delle traiettorie ad anello diventa non trascurabile che diventa evidente che l'interferenza totale non è semplicemente la sovrapposizione di singole funzioni d'onda di fotoni con traiettorie rettilinee, e quindi lo schema di interferenza non è descritto correttamente dalla forma usuale del principio di sovrapposizione.

Magaña-Loaiza ha spiegato questa apparente deviazione in modo più dettagliato:

"Il principio di sovrapposizione è sempre valido:ciò che non è valido è l'applicazione imprecisa del principio di sovrapposizione a un sistema con due o tre fenditure, " Egli ha detto.

"Negli ultimi due secoli, gli scienziati hanno ipotizzato che non si possa osservare l'interferenza se solo una fenditura è illuminata in un interferometro a due o tre fenditure, e questo perché questo scenario rappresenta il caso usuale o tipico.

"Però, nel nostro articolo dimostriamo che questo è vero solo se la probabilità che i fotoni seguano traiettorie ad anello è trascurabile. Sorprendentemente, le frange di interferenza si formano quando i fotoni che seguono traiettorie ad anello interferiscono con i fotoni che seguono traiettorie diritte (dirette), anche quando solo una delle tre feritoie è illuminata.

"Il principio di sovrapposizione può essere applicato a questo sorprendente scenario utilizzando la somma o 'sovrapposizione' di due funzioni d'onda:una che descrive una traiettoria retta e l'altra che descrive traiettorie ad anello. Non tenere conto delle traiettorie ad anello rappresenterebbe un'applicazione errata del principio di sovrapposizione .

"In una certa misura, questo effetto è strano perché gli scienziati sanno che Thomas Young ha osservato delle interferenze quando ha illuminato entrambe le fenditure e non solo una. Questo è vero solo se la probabilità che i fotoni seguano traiettorie ad anello è trascurabile".

Oltre a influenzare la comprensione dei fisici del principio di sovrapposizione applicato a questi esperimenti, i risultati rivelano anche nuove proprietà della luce che potrebbero avere applicazioni per simulatori quantistici e altre tecnologie che si basano sugli effetti di interferenza.

"Riteniamo che i percorsi ad anello esotici possano avere importanti implicazioni nello studio dei meccanismi di decoerenza nell'interferometria o per aumentare la complessità di alcuni protocolli per le passeggiate casuali quantistiche, simulatori quantistici, e altri algoritmi utilizzati nel calcolo quantistico, " ha detto De Leon.

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