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倒数空间中的光学Stern-Gerlach偏转和杨氏实验

更新时间:2021-11-13 11:00:07

科学家们首次展示了杨氏在倒数空间中的光子实验。在光学各向异性液晶微腔中实现了与持续自旋螺旋相对应的自旋模式和Stern-Gerlach实验。通过在微腔上施加电压,内部的液晶分子可以旋转,从而迫使穿过微腔的光将其内部状态转变为右手和左手圆偏振分量。

杨格在近220年前进行的实验表明,当光波通过平板上的两个狭缝时,它们会发生衍射,产生由许多条纹组成的图像(所谓的干涉图像)。狭缝越靠近,干涉条纹分离得越远。通过这种方式,两条狭缝将有关光线的信息从位置空间转换为所谓的“交互空间”——方向空间。改变狭缝之间的距离会改变光线衍射的角度(从而改变方向)。从1801年起,杨的实验不仅在光上进行,而且在电子、原子甚至大分子上也进行了。

结果表明,类似的实验可以在倒数空间中进行,在倒数空间中,沿两个方向发射的光束也会在位置空间中产生周期性图案。

在《物理评论快报》上发表的一篇文章中,来自华沙大学、华沙军事技术大学、波兰科学院和南安普敦大学的科学家们展示了杨氏对倒数空间中光子的实验。为此,制备了一种填充液晶的特殊光学微腔。微腔由两个完美的反射镜组成,两个反射镜彼此靠得很近,以至于内部形成了驻波。通过在微腔上施加电压,内部的液晶分子可以旋转,使得通过腔的线偏振平面波光被迫将其内部状态改变为右手和左手圆偏振组件,这些组件从原始光束路径向相反方向偏转。

这与杨氏这次实验的情况相似,但是,狭缝的作用是由“倒数空间”中两个不同方向的光发挥的。在样品表面,即“位置空间”上,观察到由线偏振条纹组成的光偏振干涉图。以前,对于电子也观察到了类似的现象,位置空间中电子自旋极化的调制导致了所谓的持续自旋螺旋的形成。结果表明,液晶微腔导致了电子自旋和光偏振的螺旋线的相同数学描述。科学家将这一现象解释为两个自由度(光的方向和偏振)的经典纠缠。

观察到带有液晶的光学微腔在某种程度上分离了光的“自旋”,圆偏振起到了自旋的作用,这几乎与1922年著名的斯特恩和盖拉赫实验中发现自旋100周年相吻合。因此,在一项工作中,观察到了量子力学两个基本实验的光学类比。这项工作发表在《物理评论快报》上。

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