Un faisceau laser polarisé radialement agit comme un détecteur de mouvement pour les particules rapides
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Chenilles en vol: Physiciens à l'Institut Max Planck
pour la science de
la lumière de suivre le chemin
d'un d’un millimètre ...
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Il pourrait être plus facile de suivre de minuscules particules dans l'avenir - même quand ils dévalent ainsi que la vitesse d'une balle de fusil. Ceci grâce à des chercheurs travaillant avec Christoph Marquardt et Gerd Leuchs à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière, qui ont découvert que ces particules peuvent être suivies avec un faisceau laser polarisé radialement. À la lumière polarisée radialement, les plans d'oscillation des ondes lumineuses se rangent comme les rayons d'une roue. Lorsque les chercheurs font une particule de voler à travers un faisceau laser, ils sont capables de déterminer la position de plusieurs milliards de fois par seconde, en mesurant la polarisation du faisceau. Les physiciens exploitent le fait que la polarisation du faisceau laser et sa structure spatiale sont classiquement enchevêtrés les uns avec les autres. Jusqu'à présent, le chemin des objets très rapides, par exemple, ne peut être observé avec des caméras à haute vitesse coûteux. Et ceux-ci courir pour seulement une fraction de seconde avant de devoir être redémarrés.
L’étranglement est généralement considéré comme un excellent exemple des défis fantastiques que notre imagination doit maîtriser lorsqu'ils traitent avec la mécanique quantique, la physique non-classique. Les propriétés des deux particules intriquées influencent mutuellement sans délai - et cela a lieu, même sur de grandes distances. Cependant, la physique classique a aussi un analogue à un enchevêtrement mécanique quantique: "Dans un faisceau lumineux polarisé radialement, la polarisation est liée à la distribution spatiale du champ électromagnétique», explique Christoph Marquardt, qui dirige un groupe de recherche dans la division de Gerd Leuchs à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière. "De façon surprenante, la description mathématique de cette relation est similaire à celle d'un enchevêtrement mécanique quantique."
Mais l'enchevêtrement classique n’est pas aussi effrayant que la version mécanique quantique. Bien que les deux propriétés du faisceau lumineux polarisé radialement sont inséparablement dépendants les uns des autres, ils ne semblent pas montrer une influence mutuelle sur de grandes distances, ce qui est ce qui se passe avec un enchevêtrement mécanique quantique. En revanche, l'enchevêtrement classique applique seulement à l'intérieur d'un faisceau lumineux. Il a néanmoins une utilisation pratique: les physiciens du groupe de Christoph Marquardt déterminent la position d'une particule qui course à angle droit par le biais d'un faisceau laser par l'intermédiaire de la relation entre la polarisation et la position. Et puisque la polarisation d'un faisceau lumineux peut être mesuré plus d'un milliard de fois par seconde, les chercheurs basés sur Erlangen peuvent suivre le vol de même une particule très rapide par le faisceau laser. "Nous pouvons suivre des objets en mouvement à une vitesse terrestre en mesurant la polarisation», explique Christoph Marquardt.
Les expériences prouvent à quel point le fonctionnement du capteur de mouvement
Qu'est-ce qui se passe ici peut également être illustré sans avoir à recourir aux équations mathématiques de l'intrication classique. Un examen détaillé de la polarisation radiale est suffisante: les physiciens aiment à représenter les ondes lumineuses polarisées par des flèches. Pour un faisceau de lumière polarisée radialement, les flèches sont disposées autour du centre de la poutre comme une guirlande. Pour chaque flèche qui dépasse du centre du faisceau, il y a une autre flèche précisément l'annuler, à-dire toutes les polarisations moyenner à zéro.
Si les directions de polarisation sont maintenant protégés à un moment donné, les flèches correspondantes ont pas de contrepartie - une polarisation nette reste, et ce sera différent pour chaque trajectoire de particules à travers le faisceau lumineux. Un faisceau laser peut être utilisé pour déterminer sans ambiguïté la trajectoire que lorsque la taille approximative de la particule est cependant connue. En effet, une petite sphère qui vole à proximité du centre du faisceau quitte la même trace dans la polarisation en tant que sphère la plus grande qui passe le faisceau à une distance plus grande du centre.
Les chercheurs à Erlangen utilisés expériences pour prouver à quel point leur capteur de mouvement optique fonctionne. Ils ont utilisé une sphère métallique d'un millimètre de diamètre et a enregistré sa trajectoire à travers le faisceau laser avec une haute résolution temporelle, à savoir dans une succession rapide d'instantanés. Enfin, ils ont également testé la vitesse du capteur réagit à un objet qui apparaît dans le faisceau. Ils ont fait cela en tirant une lame de couteau dans le faisceau laser avec une vitesse de 27 mètres par seconde. Le faisceau laser obscurcie dans les 92 nanosecondes - dans 92 milliardièmes de seconde - que les physiciens enregistrées dans les étapes de fractions de nanoseconde.
Faisceaux laser Classiquement intriqués pourraient améliorer la technologie LIDAR
"Dans ces tests, la nouvelle technologie montre qu'il est supérieur à certains égards aux méthodes actuellement utilisées pour suivre des objets très rapides», explique Christoph Marquardt. Bien que les objets caméras haute vitesse gel qui course à travers leur champ de vision en milliards d'images par seconde, ils sont non seulement très cher, mais fonctionnent également pour seulement une fraction de seconde. Aussi courtes impulsions de lumière sont déjà utilisés pour enregistrer les trajectoires des particules et même avoir une résolution temporelle très élevée. Ceci est réalisé en faisant varier le retard avec lequel une impulsion laser prend une image après une particule déclenche en très petits incréments. Il ne signifie pas seulement il faut savoir quand la particule est mise hors tension; pour enregistrer sa trajectoire complète, le processus doit être répété souvent très exactement de la même manière.
La technologie développée par les physiciens à base d’Erlangen n'a pas ce genre d'inconvénients. "Nous pouvons donc imaginer plusieurs applications pour notre méthode principalement dans la recherche, notamment parce qu'il est relativement simple et à faible coût», explique Stefan Berg-Johansen, qui a travaillé sur le projet. "Et si nous devions utiliser des types de faisceaux laser supplémentaires ou différentes, nous pouvons même suivre le mouvement d'une particule en trois dimensions." Le va et vient d'une particule qui est maintenu plus ou moins étroitement avec une paire de pinces optiques peut être suivis avec des faisceaux laser polarisés radialement, par exemple, comme on peut le chemin emprunté par une particule en raison de son mouvement thermique. Et en fin de compte, la technologie LIDAR d'aujourd'hui, qui est déjà utilisé pour mesurer les distances et les vitesses de la science et de l'ingénierie, pourrait être améliorée avec des faisceaux laser enchevêtrées classique. A mesure LIDAR distances et mouvements dans la direction du faisceau laser; la méthode Erlangen pourrait fournir un moyen simple de suivre les mouvements transversaux ainsi.