С самого начала квантовой физики то, как свет движется и взаимодействует с окружающей его материей, в основном описывалось и понималось математически через призму его энергии. В 1900 году Макс Планк использовал энергию для объяснения того, как свет излучается нагретыми объектами, что стало основополагающим исследованием в области квантовой механики. В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал энергию, когда ввел понятие фотона.

Но свет обладает другим, не менее важным качеством, известным как импульс. И, как выясняется, когда вы убираете импульс, свет начинает вести себя действительно интересным образом.

Международная команда физиков во главе с Михаэлем Лобетом, научным сотрудником Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), и Эриком Мазуром, профессором физики Балкански и прикладной физики в SEAS, пересматривают основы квантовой физики с точки зрения импульса и исследуют, что происходит, когда импульс света уменьшается до нуля.

Исследование опубликовано в Наука о природном свете и его применение.

Любой объект, обладающий массой и скоростью, обладает импульсом - от атомов до пуль и астероидов, - и импульс может передаваться от одного объекта к другому. Пистолет отскакивает при выстреле пулей, потому что импульс пули передается пистолету. В микроскопическом масштабе атом отскакивает, когда он излучает свет, из-за приобретенного импульса фотона. Атомная отдача, впервые описанная Эйнштейном, когда он писал квантовую теорию излучения, является фундаментальным явлением, которое управляет излучением света.

Но спустя столетие после Планка и Эйнштейна новый класс метаматериалов поднимает вопросы, касающиеся этих фундаментальных явлений. Эти метаматериалы имеют показатель преломления, близкий к нулю, что означает, что когда свет проходит через них, он не распространяется как волна в фазах гребней и впадин. Вместо этого волна растягивается до бесконечности, создавая постоянную фазу. Когда это происходит, многие из типичных процессов квантовой механики исчезают, включая атомную отдачу.

Почему? Все возвращается к импульсу. В этих так называемых материалах с почти нулевым индексом волновой импульс света становится равным нулю, и когда волновой импульс равен нулю, происходят странные вещи.

"Фундаментальные радиационные процессы подавляются в трехмерных материалах с почти нулевым индексом", - говорит Лобет, который в настоящее время преподает в Университете Намюра в Бельгии. "Мы поняли, что отдача импульса атома запрещена в материалах с почти нулевым индексом и что передача импульса между электромагнитным полем и атомом не допускается".

Если нарушения одного из правил Эйнштейна было недостаточно, исследователи также нарушили, возможно, самый известный эксперимент в квантовой физике - эксперимент Юнга с двумя щелями. Этот эксперимент используется в классах по всему миру, чтобы продемонстрировать корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике - показать, что свет может отображать характеристики как волн, так и частиц.

В типичном материале свет, проходящий через две щели, создает два когерентных источника волн, которые интерферируют, образуя яркое пятно в центре экрана с рисунком светлых и темных полос по обе стороны, известных как дифракционные полосы.

"Когда мы смоделировали и численно рассчитали эксперимент Янга с двумя щелями, оказалось, что дифракционные полосы исчезали при снижении показателя преломления", - сказала соавтор Лариса Верченко из Технического университета Дании.

"Как видно, эта работа ставит под сомнение фундаментальные законы квантовой механики и исследует пределы корпускулярно-волнового дуализма", - сказал соавтор Иньиго Либерал из Государственного университета Наварры в Памплоне, Испания.

В то время как некоторые фундаментальные процессы подавляются в материалах с почти нулевым показателем преломления, другие усиливаются. Возьмем другое известное квантовое явление - принцип неопределенности Гейзенберга, более точно известный в физике как неравенство Гейзенберга. Этот принцип гласит, что вы не можете знать как положение, так и скорость частицы с идеальной точностью, и чем больше вы знаете об одном, тем меньше вы знаете о другом. Но в материалах с почти нулевым индексом вы со 100% уверенностью знаете, что импульс частицы равен нулю, что означает, что вы абсолютно не представляете, где в материале находится частица в любой данный момент.

"Из этого материала получился бы действительно плохой микроскоп, но он позволяет совершенно скрывать объекты", - сказал Лобет. "Каким-то образом объекты становятся невидимыми".

"Эти новые теоретические результаты проливают новый свет на фотонику с почти нулевым показателем преломления с точки зрения импульса", - сказал Мазур. "Это дает представление о взаимодействии света и материи в системах с низким показателем преломления, что может быть полезно для генерации и квантовой оптики".

Исследование также может пролить свет на другие приложения, включая квантовые вычисления, источники света, которые излучают по одному фотону за раз, распространение света через волновод без потерь и многое другое.

Затем команда намерена пересмотреть другие основополагающие квантовые эксперименты с этими материалами с точки зрения импульса. В конце концов, хотя Эйнштейн и не предсказывал материалов с почти нулевым показателем преломления, он подчеркивал важность импульса. В своей основополагающей статье 1916 года о фундаментальных радиационных процессах Эйнштейн настаивал на том, что с теоретической точки зрения энергию и импульс "следует рассматривать на совершенно равных основаниях, поскольку энергия и импульс связаны самым тесным образом".

"Как физики, мы мечтаем пойти по стопам таких гигантов, как Эйнштейн, и продвигать их идеи дальше", - сказал Лобет. "Мы надеемся, что сможем предоставить новый инструмент, который смогут использовать физики, и новую перспективу, которая может помочь нам понять эти фундаментальные процессы и разработать новые приложения".