Вы знаете, что свет ведет себя как частица и как волна, в зависимости от обстоятельств. Со времен Эйнштейна ученые пытались непосредственно наблюдать оба этих аспекта света одновременно. Ученым EPFL удалось сделать первый в мире снимок этого явления, известного как корпускулярно-волновой дуализм (изображение выше им не является).

Квантовая механика подсказывает нам, что свет может вести себя как частица или волна. Тем не менее ни один эксперимент за все время не смог уловить обе природы света одновременно; мы видели как частицу, так и волну, но в разное время. Радикально новый подход к эксперименту позволил ученым EPFL сделать первый в истории снимок, на котором свет показан в виде волны и частицы одновременно. Работа была опубликована в Nature Communications.

Когда ультрафиолетовый свет попадает на металлическую поверхность, он вызывает эмиссию электронов. Альберт Эйнштейн объяснил этот «фотоэлектрический» эффект, предположив, что свет — который тогда считался волной — также является потоком частиц. Команда ученых под руководством Фабрицио Карбоне из EPFL провела эксперимент хитро: используя электроны для съемки света. Эксперимент удался: на снимке был запечатлен свет в виде волны и потока частиц одновременно.

Тот самый снимок

Эксперимент проводился так: импульс лазерного света направлялся на крошечный металлический нанопровод. Лазер добавляет энергию заряженным частицам в нанопроводе, заставляя их вибрировать. Свет проходит через этот крошечный провод в двух возможных направлениях, подобно машинам на шоссе. Когда волны, которые движутся в противоположных направлениях, встречаются, они образуют новую волну, которая выглядит так, будто застыла на месте. Эта стоячая волна и стала источником свет для эксперимента, излучая вокруг нанопровода.

И здесь в эксперименте был скрыт трюк: ученые направили поток электронов близко к нанопроводу, используя их для снимка стоячей волны света. Когда электроны взаимодействовали с удерживаемым светом нанопровода, они либо ускорялись, либо замедлялись. Используя сверхбыстрый микроскоп для съемки позиции, в которой происходило это изменение скорости, команда Карбоне смогла визуализировать стоячую волну, которая стала своего рода отпечатком волновой природы света.

Хотя это явление демонстрирует волновую природу света, оно также демонстрирует и частицы в этом потоке. Когда электроны проходят близко к стоячей волне, они «попадают» в частицы света, фотоны. Как мы уже отметили, это влияет на их скорость, заставляя их двигаться быстрее или медленнее. Это изменение в скорости проявляется как обмен энергетическими «пакетами» (квантами) между электронами и фотонами. Само проявление этих энергетических пакетов демонстрирует, что свет ведет себя как частица.

«Этот эксперимент впервые показывает, что мы можем снимать квантовую механику — и ее парадоксальную природу — напрямую», —говорит Фабрицио Карбоне. Кроме того, важность этой новаторской работы выходит за рамки фундаментальной науки — к будущим технологиям. «Способность снимать и манипулировать квантовыми явлениями в наномасштабах открывает новый маршрут к квантовым вычислениям».