利用1980年代定理的漏洞，首次观测到德布罗格利-麦金农波包
发布时间：2023-02-10 03:02:13.000Z
UCF CREOL研究生研究助理Layton Hall, '22MS（左）和Ayman Abouraddy博士。来源：中佛罗里达大学
中佛罗里达大学光学和光子学学院的研究人员通过利用20世纪80年代的激光物理学定理中的一个漏洞，首次实现了对德布罗格利-麦金农波包的观测。
CREOL和佛罗里达光子学卓越中心教授Ayman Abouraddy和研究助理Layton Hall的研究论文已经发表在《自然-物理》杂志上。
对光学德布罗格利-麦金农波包的观察突出了该团队使用一类脉冲激光束的研究，他们称之为时空波包。
在对Abouraddy博士的采访中，他提供了对其团队研究的更多见解，以及它可能对未来的影响。
你在这个阶段的研究中完成了几个 "第一"。您能否提供一些使您走到这一步的理论思想的历史？
在近100年前量子力学发展的早期，路易-德-布罗格利在概念上取得了关键性的突破，将波与粒子相鉴别，有时被称为波粒二象性。然而，一个关键的难题并没有得到解决。粒子在空间上是稳定的：它们的大小不会随着它们的移动而改变，然而波却会改变，在空间和时间上扩散。如何才能从德布罗格利建议的波中构建一个模型，而又能准确地对应于粒子？
在20世纪70年代，麦金农（L. Mackinnon）提出了一个解决方案，他将爱因斯坦的狭义相对论与德布罗格利的波结合起来，构建了一个稳定的 "波包"，它不会扩散，因此可以伴随着一个旅行的粒子。这个建议没有被注意到，因为没有产生这样一个波包的方法。近年来，我的小组一直在研究一类新的脉冲激光束，我们称之为 "时空波包"，它在自由空间中刚性地旅行。
在我们最近的研究中，雷顿将这种行为扩展到在色散介质中的传播，色散介质通常会拉伸光脉冲--但抵抗这种拉伸的时空波包除外。他认识到，时空波包在被赋予一种特殊的色散（所谓的 "反常 "色散）的介质中的传播与麦金农的提议相一致。换句话说，时空波包是最终实现德布罗格利梦想的关键。通过按照这些思路进行激光实验，我们首次观察到了我们称之为德布罗格利-麦金农波包的东西，并验证了它们的预测特性。
你的成果有什么独特之处？
这篇论文有几个独特的方面。这是脉冲在具有反常色散的介质中不变地传播的第一个例子。事实上，20世纪80年代激光物理学中一个著名的定理声称要证明这样一个壮举是不可能的。我们在该定理中发现了一个漏洞，我们在设计我们的光场时利用了这个漏洞。
另外，以前所有的无变化传播的脉冲场都是X型的。长期以来，人们一直认为O型传播不变的波包应该存在，但它们从未被观察到。我们的结果揭示了第一个观察到的O型传播不变的波包。
美国海军研究办公室正在支持你的研究。你的发现对他们和其他人有什么用？
我们还不确切知道。然而，这些发现对光脉冲在色散介质中的传播有实际影响，而不会遭受色散的有害影响。
这些结果可能为大质量粒子的克莱因-戈登方程解的光学测试铺平道路，甚至可能导致利用物质波合成非色散的波包。这也将促成新的传感和显微镜技术。
接下来的步骤是什么？
这项工作是对时空波包的传播特性进行的更大研究的一部分。这包括时空波包的长距离传播，我们正在UCF位于佛罗里达州太空海岸的Townes Institute Science and Technology Experimentation Facility（TISTEF）测试。从基本的角度来看，我们在实验中使用的光学光谱位于一个封闭的轨迹上。这在以前从未实现过，它为研究封闭表面上的光的拓扑结构开辟了道路。
更多信息。Layton A. Hall等人，观察光学德布罗格利-麦金农波包，《自然-物理》（2023）。DOI: 10.1038/s41567-022-01876-6
