Oksfordski naučnici stvorili kvantnu svetlost iz mraka, i ne, nije u pitanju magija sa Hogwartsa

Naučnici sa Univerziteta Oksford i Instituto Superior Tecnico u Lisabonu izveli su realne 3D simulacije u realnom vremenu koje prikazuju kako intenzivni laserski snopovi interaguju sa kvantnim vakuumom – prostorom koji nije potpuno prazan, već ispunjen kratkotrajnim parovima elektron-pozitron.

Njihov rad, objavljen u časopisu Communications Physics, pruža detaljan uvid u to šta se dešava kada svetlost izgleda kao da dolazi iz tame, nešto što je u terminima klasične fizike poput magije.

Koristeći visokonaprednu verziju softvera za simulaciju slika OSIRIS (skraćeno za Outdoor Scene and InfraRed Image Simulation), tim je rekreirao fenomen nazvan vakuumsko četvorotalasno mešanje. U ovom procesu, elektromagnetna polja tri snažna laserska impulsa polarizuju virtuelne čestice u vakuumu, što dovodi do toga da fotoni odbijaju jedni od drugih – rezultirajući formiranjem četvrtog laserskog snopa.

“Ovo nije samo akademska radoznalost – već je veliki korak ka eksperimentalnoj potvrdi kvantnih efekata koji su do sada uglavnom bili teorijski“, rekao je profesor Peter Norreys sa Oksfordskog departmana za fiziku.

Shutterstock

Ono što čini ovaj rad aktuelnim jeste globalna implementacija laserskih sistema multi-petavatne snage koji mogu generisati izuzetno snažna elektromagnetna polja. Očekuje se da će postrojenja poput Vulcan 20-20 u Velikoj Britaniji, ELI u Evropi, te SHINE i SEL u Kini, zajedno sa OPAL (optički parametarski amplifikacioni linearni) dualnim laserskim sistemom u SAD-u, dostići potrebne nivoe snage kako bi se ovi retki kvantni efekti videli u stvarnim eksperimentima.

Da bi njihove simulacije bile preciznije, istraživači su koristili polu-klasični numerički rešavač baziran na Heisenberg-Eulerovom Lagranžijanu. Ovaj pristup im je omogućio da modeliraju dva ključna kvantna efekta u vakuumu i provere svoje rezultate sa poznatim predviđanjima za vakuumsku birefringenciju – fenomen gde svetlost seče ili menja pravac prolaskom kroz snažno elektromagnetno polje.

Testirani su kako ravni talasni tako i Gausovi laserski impulsi, i utvrdili da se njihovi rezultati dobro poklapaju sa postojećim teorijama. Za slučaj četvorotalasnog mešanja, koristili su tri Gausova snopa i mogli su pratiti formiranje četvrtog snopa tokom vremena. Simulacija je takođe pokazala i mali astigmatizam – gde izlazni snop nije bio savršeno oblikovan – i dala jasna merenja koliko je trajala interakcija i koliko je velika bila zahvaćena oblast.

“Naš računarski program daje nam vremenski rezolventan, trodimenzionalni uvid u kvantne interakcije u vakuumu koje su ranije bile nedostupne“, rekao je glavni autor Zixin Zhang, doktorski student na Oksfordu. “Primenom našeg modela na eksperiment sa tri snopa raspršivanja, uspeli smo da uhvatimo čitav spektar kvantnih potpisa, zajedno sa detaljnim uvidima u regiju interakcije i ključne vremenske skale.”

Tim je uporedio svoje rezultate sa jednostavnijim modelima i prethodnim podacima kako bi se uverili da sve odgovara. Očekuje se da će ovi alati pomoći naučnicima da dizajniraju eksperimente u stvarnom svetu, sa većom kontrolom nad vremenom, oblikom i smerom lasera.

Profesor Luis Silva, koautor sa Instituto Superior Técnico i gostujući profesor na Oksfordu, rekao je: “Širok spektar planiranih eksperimenata na najnaprednijim laserskim postrojenjima biće značajno olakšan našom novom računarskom metodom implementiranom u OSIRIS-u. Kombinacija ultra-snažnih lasera, najsavremenijih detektora, napredne analitičke i numeričke modeliranja su osnove za novu eru interakcija laseri-materija, što će otvoriti nove horizonte za fundamentalnu fiziku.”

Ovaj alat za simulaciju takođe može pomoći u potrazi za novim česticama, poput aksiona i čestica sa miligromovima naelektrisanja, koje se smatraju jakim kandidatima za tamnu materiju.