(Phys.org) —Os físicos realizaram uma variação do famoso experimento de dupla fenda de 200 anos que, pela primeira vez, envolve "trajetórias exóticas em loop" de fótons. Esses fótons viajam para frente através de uma fenda, em seguida, dê uma volta e viaje de volta por outra fenda, e então às vezes dê uma volta novamente e viaje para a frente através de uma terceira fenda.

Interessantemente, a contribuição dessas trajetórias em loop para o padrão geral de interferência leva a um aparente desvio da forma usual do princípio de superposição. Este aparente desvio pode ser entendido como uma aplicação incorreta do princípio de superposição - uma vez que a interferência adicional entre as trajetórias em loop e retas é considerada, a sobreposição pode ser aplicada corretamente.

A equipe de físicos, liderado por Omar S. Magaña-Loaiza e Israel De Leon, publicou um artigo sobre o novo experimento em uma edição recente da Nature Communications.

Loops de luz

"Nosso trabalho é a primeira observação experimental de trajetórias em loop, "De Leon disse Phys.org . "Trajetórias em loop são extremamente difíceis de detectar devido à sua baixa probabilidade de ocorrência. Anteriormente, pesquisadores sugeriram que essas trajetórias exóticas poderiam existir, mas não conseguiram observá-las. "

Para aumentar a probabilidade de ocorrência de trajetórias em loop, os pesquisadores projetaram uma estrutura de três fendas que suporta plasmons de superfície, que os cientistas descrevem como "campos eletromagnéticos fortemente confinados que podem existir na superfície dos metais." A presença desses campos eletromagnéticos perto das três fendas aumenta a contribuição das trajetórias em loop para o padrão geral de interferência em quase duas ordens de magnitude.

"Fornecemos uma explicação física que liga a probabilidade dessas trajetórias exóticas aos campos próximos ao redor das fendas, "De Leon disse." Como tal, pode-se aumentar a força dos campos próximos ao redor das fendas para aumentar a probabilidade dos fótons seguirem as trajetórias em loop. "

Princípio de superposição responsável por trajetórias em loop

O novo experimento de três fendas com trajetórias em loop é apenas uma das muitas variações do experimento de dupla fenda original, realizada pela primeira vez por Thomas Young em 1801. Desde então, pesquisadores têm realizado versões que usam elétrons, átomos, ou moléculas em vez de fótons.

Uma das razões pelas quais o experimento da dupla fenda atraiu tanta atenção é que ele representa uma manifestação física do princípio da superposição quântica. A observação de que partículas individuais podem criar um padrão de interferência implica que as partículas devem viajar por ambas as fendas ao mesmo tempo. Essa capacidade de ocupar dois lugares, ou estados, de uma vez só, é a característica definidora da superposição quântica.

Até aqui, todas as versões anteriores do experimento produziram resultados que parecem ser descritos com precisão pelo princípio da superposição. Isso ocorre porque as trajetórias em loop são tão raras em condições normais que sua contribuição para o padrão geral de interferência é normalmente insignificante, e assim a aplicação do princípio de superposição a esses casos resulta em uma aproximação muito boa.

É quando a contribuição das trajetórias em loop se torna não desprezível que se torna aparente que a interferência total não é simplesmente a superposição de funções de onda individuais de fótons com trajetórias retas, e assim o padrão de interferência não é corretamente descrito pela forma usual do princípio de superposição.

Magaña-Loaiza explicou esse aparente desvio com mais detalhes:

"O princípio de superposição é sempre válido - o que não é válido é a aplicação imprecisa do princípio de superposição a um sistema com duas ou três fendas, " ele disse.

"Nos últimos dois séculos, os cientistas presumiram que não se pode observar interferência se apenas uma fenda for iluminada em um interferômetro de duas ou três fendas, e isso ocorre porque esse cenário representa o caso usual ou típico.

"Contudo, em nosso artigo, demonstramos que isso só é verdade se a probabilidade dos fótons seguirem trajetórias em loop for insignificante. Surpreendentemente, franjas de interferência são formadas quando fótons seguindo trajetórias em loop interferem com fótons seguindo trajetórias retas (diretas), mesmo quando apenas uma das três fendas está iluminada.

"O princípio de superposição pode ser aplicado a este cenário surpreendente usando a soma ou 'superposição' de duas funções de onda; uma descrevendo uma trajetória reta e a outra descrevendo trajetórias em loop. Não levar em consideração as trajetórias em loop representaria uma aplicação incorreta do princípio de superposição .

"Até certo ponto, este efeito é estranho porque os cientistas sabem que Thomas Young observou interferência quando iluminou ambas as fendas e não apenas uma. Isso é verdade apenas se a probabilidade de fótons seguirem trajetórias em loop for insignificante. "

Além de impactar a compreensão dos físicos sobre o princípio da superposição, conforme aplicado a esses experimentos, os resultados também revelam novas propriedades da luz que podem ter aplicações para simuladores quânticos e outras tecnologias que dependem de efeitos de interferência.

"Acreditamos que caminhos em loop exóticos podem ter implicações importantes no estudo de mecanismos de decoerência em interferometria ou para aumentar a complexidade de certos protocolos para passeios aleatórios quânticos, simuladores quânticos, e outros algoritmos usados ​​em computação quântica, "De Leon disse.

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