Non-monotonic dependence of OAM Schmidt spectrum on crystal thickness

تخيل الكون كمكتبة ضخمة وصاخبة حيث لا يسافر الضوء في خطوط مستقيمة مملة كأقلام الرصاص؛ بل أحياناً يدور مثل إعصار صغير غير مرئي. هذا الدوران يسمى "الزخم الزاوي المداري" (OAM). فكر في الفوتون (جسيم الضوء) ليس فقط كرسول، بل كراقص يتلوى أثناء حركته. يمكن لسرعة ذلك التلوي أن تكون بطيئة، أو سريعة، أو أي شيء بينهما، مما يخلق ساحة لعب هائلة وشبه لانهائية من الاحتمالات لإرسال المعلومات. يعشق العلماء هذا الأمر لأنه إذا استطعت تعبئة البيانات في هذه الدورات، يمكنك إرسال معلومات أكثر بكثير من مجرد إشارات بسيطة تعتمد على "التشغيل" أو "الإيقاف".

لصنع جسيمات الضوء الدوارة هذه، يستخدم العلماء خدعة خاصة تسمى "التحويل البارامتري التلقائي لأسفل" (SPDC). تخيل شعاع ليزر عالي الطاقة يصطدم ببلورة خاصة، مثل كرة بلياردو تصطدم بمجموعة من الكرات. ينقسم الليزر إلى فوتونين جديدين أقل طاقة، وهما "متشابكان"، مما يعني أنهما مرتبطان سحرياً: إذا دار أحدهما لليسار، فإن الآخر يدور لليمين، بغض regardless عن المسافة بينهما. السؤال الكبير للباحثين هو: كم عدد أنماط الدوران المختلفة التي يمكننا إنتاجها في وقت واحد؟ هذا الرقم يسمى "رقم شميدت". إنه يشبه السؤال: "كم عدد قنوات التلفزيون المختلفة التي يمكننا بثها في آن واحد؟" لفترة طويلة، اعتقد العلماء أن جعل البلورة أكثر سمكاً سيؤدي فقط إلى تقليص عدد القنوات، تماماً مثل الضغط على بالون. لكن دراسة جديدة تشير إلى أن البالون قد ينتفخ مرة أخرى بطريقة مفاجئة.

في هذا البحث، قرر فريق من الباحثين من المعهد الهندي للتكنولوجيا في كانبور اختبار ما يحدث عندما يغيرون سمك البلورة المستخدمة لإنشاء أزواج الضوء الدوارة هذه. لسنوات، كانت القاعدة القياسية في مجتمع الفيزياء بسيطة: كلما زاد سمك البلورة، قل عدد أنماط الدوران الفريدة (انخفض رقم شميدت). كان انحداراً ناعماً في اتجاه واحد. ومع ذلك، اشتبه الباحثون في أن هذه القاعدة قد تغفل تفصيلاً حاسماً حول كيفية تحرك الضوء فعلياً داخل البلورة.

لمعرفة ذلك، أقاموا تجربة باستخدام ليزر فوق بنفسجي وبلورة تسمى "بيتا باريوم بورات" (BBO). قاموا بتسليط الليزر عبر بلورات ذات سماكات متفاوتة، تتراوح من شرائح رقيقة جداً وصولاً إلى 20.0 ملم من السمك. وبينما كانوا يفعلون ذلك، قاموا بقياس "رقم شميدت" لمعرفة عدد حالات الدوران التي يتم إنتاجها. وقارنوا قياساتهم الواقعية بنموذجين رياضيين مختلفين. النموذج الأول كان "الطريقة القديمة"، والتي تجاهلت خللاً معيناً في حركة الضوء يسمى "الانحراف المكاني". والنموذج الثاني كان "الطريقة الجديدة"، التي احتفظت بكل التفاصيل المعقدة لكيفية سلوك الضوء داخل البلورة.

كانت النتائج صادمة. عندما استخدموا رياضيات "الطريقة القديمة"، فعل رقم شميدت بالضبط ما توقعه الجميع: فقد انخفض مع زيادة سمك البلورة. ولكن عندما نظروا إلى التجربة الفعلية ورياضيات "الطريقة الجديدة"، تغيرت القصة تماماً. لم يستمر رقم شميدت في الهبوط فحسب، بل انخفض في البداية، ووصل إلى نقطة منخفضة، ثم بدأ في الصعود مرة أخرى مع زيادة سمك البلورة. لقد كان منحنى غير رتيب، مما يعني أنه نزل ثم صعد، متحدياً القاعدة القديمة.

يشرح الباحثون هذا السلوك الغريب باستخدام مفهوم "الانحراف المكاني". تخيل محاولة المشي عبر ممر مزدحم بينما تحمل عصا طويلة وصلبة. إذا كان الممر ضيقاً، فقد تصطدم بالناس فحسب وتتباطأ. ولكن إذا كان الممر واسعاً جداً وكنت تمشي بزاوية معينة، فقد تساعدك عصاك في الواقع على التنقل عبر الحشد بطريقة تسمح لك بالتحرك بشكل أسرع أو في اتجاه مختلف عما كنت تتوقعه. في البلورة، ومع انتقال الضوء لعمق أكبر (بلورة أكثر سمكاً)، يبدأ تأثير "الانحراف المكاني" في الهيمنة، مما يفتح فعلياً قنوات جديدة لوجود الضوء الدوار. هذا التأثير كان يتم تجاهله في النماذج الأبسط التي استُخدمت لعقود.

الفريق متأكد جداً من ذلك لأنهم لم يتكهنوا فحسب؛ بل قاموا بالقياس. لقد تطابقت نقاط بياناتهم التجريبية (النقاط على رسومهم البيانية) تماماً مع نظرية "الطريقة الجديدة" المعقدة، مما أظهر الارتفاع في رقم شميدت مع البلورات الأكثر سمكاً. كما استبعدوا صراحةً فكرة أن رقم شميدت يتناقص دائماً مع السمك، موضحين أن الرياضيات القديمة والأبسط كانت تفتقر إلى الدقة بالنسبة للبلورات الأكثر سمكاً. ورغم أنهم لم يدّعوا أن هذا يحل كل مشكلة في الفيزياء الكمية، إلا أنهم أثبتوا أنه بالنسبة للمعلومات الكمية عالية الأبعاد، فإن سمك البلورة يهم بطريقة أكثر تعقيداً وإثارة للاهتمام مما كان يعتقده أي شخص سابقاً. يشير هذا الاكتشاف إلى أنه إذا أردنا بناء حواسيب كمية أفضل أو إرسال رسائل أكثر أماناً باستخدام الضوء، فلا يمكننا مجرد افتراض أن "الأرق الأقل دائماً أفضل" أو "الأكثر سمكاً دائماً أسوأ". يجب علينا مراعاة رقصة الضوء داخل البلورة، لأننا أحياناً، كلما تعمقنا أكثر، وجدنا احتمالات أكثر.