В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил природу фотоэлектрического эффекта, наблюдаемого при падении света на различные металлы, когда освещённые материалы испускают электроны. С тех пор все физики знают, что свет это не просто электромагнитная волна, но и элементарная безмассовая частицы — фотон. Но при этом более ста лет учёные не могли придумать эксперимент, позволяющий воочию увидеть эту двойственную природу.
Наконец, с этой задачей справились швейцарские исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). Они впервые сумели сделать снимок, показывающий, что свет ведёт себя одновременно как волна и как частица.
Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) и его коллеги направляли сверхкороткие импульсы лазера на серебряный наноразмерный провод, подвешенный на графеновой плёнке, играющей роль электрического изолятора.
Лазер передавал заряженным частицам металла дополнительную энергию, заставляя их осциллировать. При этом сам лазерный свет перемещался вдоль провода в двух противоположных направлениях, как автомобили на шоссе. Когда встречные потоки пересекались, образовывались новые волны, которые со стороны казались стоящими на одном месте. Эти неподвижные световые волны сформировали вокруг проволоки поле, которое и стало источником света для следующего эксперимента.
Исследователи направили на получившееся поле поток электронов. При столкновении электрона и фотона одна из частиц сообщала другой долю своей энергии. Если электрон получает энергию, он начинает двигаться быстрее, если отдаёт — замедляется.
Чтобы проследить за этими изменениями, физики нацелили на электроны сверхбыстрый просвечивающий электронный микроскоп (ПЭР). В том месте, где частицы меняли свой энергетический уровень, они смогли запечатлеть стоячие волны, которые являлись проявлением волновой природы света. В то же время, наблюдая получение электроном "энергетического пакета" от фотона, учёные наглядно продемонстрировали, что свет ведёт себя и как частица.
"В ходе этого эксперимента мы впервые смогли запечатлеть квантово-механическое явление и продемонстрировать его парадоксальность, — сообщает Карбоне в пресс-релизе. — Возможность визуализировать квантовые явления в нанометровом масштабе и способность управлять ими открывает новую дорогу к технологиям квантовых вычислений".
Подробные результаты исследования опубликованы в издании Nature Communications (от.ред. статья Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field в свободном доступе)
