Fundamentele wet van behoud van energie bevestigd op kwantumniveau

Energie

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 07/07/2025

Schematische weergave van een enkel foton met nul impulsmoment (groen) dat zich splitst in twee fotonen (rood) met nul of tegengesteld impulsmoment (aangegeven door de kleurgradiënt), die samen nul zijn, wat de fundamentele wet van behoud van impulsmoment bevestigt. [Afbeelding: Robert Fickler/Tampere University]

Orbitaal impulsmoment van licht

Een team van natuurkundigen en ingenieurs uit Duitsland, Finland en India heeft experimenteel bevestigd dat het impulsmoment van licht behouden blijft wanneer een enkel foton in een paar wordt gesplitst. Daarmee is voor het eerst een fundamenteel principe van de natuurkunde op kwantumniveau bevestigd: de schaal waarop de wetten van de kwantummechanica gelden.

Deze experimentele demonstratie opent nieuwe mogelijkheden voor het creëren van complexe kwantumtoestanden, die nuttig zijn bij computers, communicatie en sensoren.

De wetten van behoud van energie vormen de kern van ons begrip van de natuurwetenschappen en bepalen welke processen "toegestaan ​​of verboden" zijn. Een eenvoudig en intuïtief voorbeeld is de botsing van twee biljartballen, waarbij beweging – en daarmee hun lineaire impuls – van de ene bal naar de andere wordt overgedragen.

Maar er is een vergelijkbare behoudsregel voor roterende objecten, die een impulsmoment hebben. Interessant genoeg kan licht ook een impulsmoment hebben, bijvoorbeeld orbitaal impulsmoment (OAM), dat verband houdt met de ruimtelijke structuur van licht en betrokken is bij veel recente ontwikkelingen in de fotonica , zoals het draaien van licht , het knopen van licht , het vormen van licht in een donutvorm – kortom, het modelleren van licht .

Wanneer we de schaal afdalen naar het kwantumdomein, impliceren deze wetten dat individuele lichtdeeltjes, fotonen genaamd, een nauwkeurig gedefinieerde hoeveelheid orbitaal impulsmoment (OAM) hebben, dat behouden moet blijven wanneer deze fotonen interacteren met elektronen, atomen en andere deeltjes. Het team heeft deze behoudswetten nu tot de absolute kwantumlimiet getest en onderzocht of het behoud van OAM-quanta geldt wanneer één foton in twee fotonen wordt gesplitst.

Eén min één is nul

De behoudsregel dicteert bijvoorbeeld dat wanneer een foton met een MAO-waarde van nul in twee fotonen wordt gesplitst, de MAO-quanta van beide fotonen opgeteld nul moeten zijn. Als een van de nieuw gegenereerde fotonen dus een MAO-quanta heeft, moet het partnerfoton het tegenovergestelde hebben, dat wil zeggen negatieve MAO-quanta. Of, met andere woorden, de eenvoudige formule 1 + (-1) = 0 moet gelden.

Hoewel deze behoudsregels in talloze laseroptische experimenten zijn getest en gebruikt, zijn ze nog nooit voor één foton getest. En terecht: de vereiste niet-lineaire optische processen zijn zeer inefficiënt; slechts een miljardste deel van de fotonen wordt omgezet in een fotonenpaar.

Het team overwon dit probleem met een extreem stabiele optische opstelling, weinig achtergrondruis, een detectiemethode met de hoogst mogelijke efficiëntie en veel geduld. Uiteindelijk slaagden ze erin om voldoende conversies (een aanzienlijk aantal fotonensplitsingen) te registreren om de fundamentele behoudswet te bevestigen.

"Onze experimenten tonen aan dat MAO inderdaad behouden blijft, zelfs wanneer het proces door één foton wordt aangestuurd. Dit bevestigt een fundamentele behoudswet op het meest fundamentele niveau, die uiteindelijk berust op de symmetrie van het proces", aldus onderzoeker Lea Kopf.

Naast het bevestigen van het behoud van het orbitale impulsmoment voor een enkel foton, observeerde het team de eerste tekenen van kwantumverstrengeling in de gegenereerde fotonenparen. Dit wijst erop dat de techniek kan worden uitgebreid om complexere fotonische kwantumtoestanden te creëren. "Dit werk is niet alleen van fundamenteel belang, maar zet ons ook een belangrijke stap in de richting van het genereren van nieuwe kwantumtoestanden waarin fotonen op alle mogelijke manieren verstrengeld zijn, d.w.z. in ruimte, tijd en polarisatie", aldus professor Robert Fickler.

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen