类似回旋镖的光束二维量子回流观测研究取得进展

华沙大学物理学院的研究人员将两束顺时针方向扭曲的光束叠加在一起，在叠加后的黑暗区域产生逆时针扭曲。研究结果发表在《Optica》上。这一发现对光与物质相互作用的研究具有重要意义，并且代表着朝着观察一种称为量子回流的特殊现象迈出了一步。

“想象一下，你正在扔一个网球。球开始以积极的势头向前移动。如果球没有撞到障碍物，你不太可能期望它突然改变方向并像回旋镖一样回到你身边，”指出BohnishikhaGhosh，华沙大学物理学院的博士生。“例如，当你顺时针旋转这样一个球时，你同样希望它继续沿同一方向旋转。”

然而，当我们处理的是量子力学中的粒子而不是球时，一切都会变得复杂。“在经典力学中，一个物体有一个已知的位置。同时，在量子力学和光学中，一个物体可以处于所谓的叠加态，这意味着给定的粒子可以同时处于两个或多个位置，”华沙大学物理学院量子成像实验室主任RadekLapkiewicz博士解释道。

量子粒子的行为方式与前面提到的网球完全相反——它们可能在某些时间段内有可能向后移动或沿相反方向旋转。“物理学家将这种现象称为回流”，BohnishikhaGhosh指出。

光学回流

迄今为止，尚未通过实验观察到量子系统中的回流。相反，它已在经典光学中使用光束成功实现。YakirAharonov、MichaelV.Berry和SanduPopescu的理论著作探索了量子力学中的回流与局域尺度光波反常行为之间的关系。

Y.埃利泽等人。通过合成复杂的波前观察光学回流。随后，在RadekLapkiewicz博士的小组中，AnatDaniel博士等人。使用两束光束的简单干涉在一维中证明了这种现象。

“这项工作让我着迷的是，当你进入局部尺度测量的王国时，你很容易就会意识到事情是如何变得奇怪的，”阿纳特·丹尼尔博士说。

华沙大学物理学院的研究人员在论文《携带轨道角动量的光中的方位回流》中展示了二维回流效应。“在我们的研究中，我们叠加了两束顺时针方向扭曲的光束和局部观察到的逆时针扭曲的光束，”Lapkiewicz博士解释道。

为了观察这一现象，研究人员使用了Shack-Hartman波前传感器。该系统由放置在CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器前面的微透镜阵列组成，为二维空间测量提供高灵敏度。

量子成像博士生BernardGorzkowski表示：“我们研究了仅携带负轨道角动量的两束光束的叠加，并在干涉图样的暗区观察到正局部轨道角动量。这就是方位角回流。”物理学院实验室。

值得一提的是，带有轨道角动量的具有方位(螺旋)相位依赖性的光束首先由MarcoBeijersbergen等人产生。1993年实验性地使用柱面透镜。

从那时起，它们在许多领域得到了应用，例如光学显微镜或光镊，一种可以在微米和纳米尺度上全面操纵物体的工具，其创造者阿瑟·阿什金(ArthurAshkin)荣获2018年诺贝尔物理学奖。光镊目前被用来研究细胞膜或DNA链的机械特性或健康细胞和癌细胞之间的相互作用。

当物理学家演奏贝多芬时

正如科学家们强调的那样，他们当前的演示可以解释为相位超振荡。布里斯托大学物理学家MichaelBerry教授于2010年首次描述了量子力学中的回流与波中的超振荡之间的联系。

超振荡是指叠加的局部振荡比其最快的傅里叶分量更快的情况。1990年，YakirAharonov和SanduPopescu首次预测了这一现象，他们发现正弦波的特殊组合会产生比任何组成部分摆动得更快的集体波区域。

迈克尔·贝里(MichaelBerry)在他的出版物《比傅里叶更快》中阐释了超振荡的威力，他表明，原则上，可以通过仅组合频率低于1赫兹的声波来演奏贝多芬的《第九交响曲》——频率如此之低，以至于它们无法演奏贝多芬的《第九交响曲》。被人类听到。然而，这是非常不切实际的，因为超振荡区域中的波的振幅非常小。

BohnishikhaGhosh表示：“我们提出的回流是相位快速变化的表现，这对于涉及光与物质相互作用的应用(例如光捕获或设计超精密原子钟)非常重要。”除此之外，华沙大学物理学院研究小组的发表，是在观察二维量子回流方向上迈出的一步，理论上发现二维量子回流比一维回流更稳健。