Interferómetro Mach-Zehnder

El interferómetro Mach-Zehnder es un interferómetro óptico creado en 1891 y 1892 por Ludwig Mach - hijo de Ernst Mach - y Ludwig Zehnder , cuyo principio es muy similar al del interferómetro de Michelson. Consta de dos espejos y dos espejos semirreflectantes . Como se muestra en el diagrama opuesto, un haz de luz coherente se divide en dos, luego estos dos haces se recombinan usando un espejo semirreflectante. Por lo tanto, podrán interferir entre sí. El patrón de interferencia así obtenido permite realizar mediciones muy precisas en la fuente de luz y en cualquier muestra transparente colocada en el camino de uno de los dos haces. Por ejemplo, es posible medir un defecto en el paralelismo de las caras de un portaobjetos de vidrio, o bien un defecto en la planitud o esfericidad.

Además de la aplicación clásica destinada a la medición que se basa fundamentalmente en una visión ondulatoria de la luz, este instrumento permite resaltar un fenómeno cuántico. De hecho, si enviamos una onda de plano de luz al instrumento, se divide en dos, luego se recombina en fase en una de las dos salidas y en oposición de fase en la otra. Como resultado, solo una de las dos salidas tiene luz. Sin embargo, si reducimos el flujo para enviar un solo fotón, siendo éste indivisible, una visión clásica requeriría que pase por solo uno de los dos caminos, con una probabilidad impuesta por el coeficiente de reflexión del primer espejo. . Entonces tendríamos una probabilidad distinta de cero de recuperar un fotón en las dos salidas. Sin embargo, podemos observar efectivamente que solo uno de los dos canales presenta una salida de luz: la interferencia se produce incluso cuando el flujo luminoso se reduce a un fotón de emisión por fotón.

Como tal, este interferómetro se usa ampliamente en experimentos de mecánica cuántica por su capacidad para resaltar el aspecto de onda o partícula del fotón (ver dualidad onda-partícula ), de una manera similar, pero mucho más clara que las rendijas de Young : siempre que el fotón permanece en su forma de onda en el dispositivo, interfiere consigo mismo y solo se activa un canal de salida. Desde el momento en que el fotón toma su forma corpuscular en el dispositivo (porque está medido o alterado, o, mucho más interesante, porque podría serlo ), la interferencia no se produce y ambas salidas pueden activarse.

Operación normal detallada

Una fuente envía un haz de luz coherente que se colima para producir una onda plana .

Un haz reflejado en un medio de índice más alto sufre un cambio de fase de . Este es el caso si el haz se refleja en un espejo o en la cara frontal de la placa semirreflectante. $\ Pi$
Un rayo reflejado en la cara trasera de la placa semirreflectante se refleja en un medio de índice más bajo, aire. No sufre cambio de fase.
Al atravesar el espesor del vidrio también se produce un cierto desplazamiento de fase, que hay que tener en cuenta.

Trayectoria del rayo SB al detector 1: se reflejó dos veces con un cambio de fase de π, luego pasó a través de un espesor de vidrio.

Trayectoria del rayo RB hacia el detector 1: pasó a través de un espesor de vidrio y luego se reflejó dos veces con un cambio de fase de π.

Estos dos haces llegan en fase y se añaden: probabilidad (o la intensidad) para detectar el detector 1: .

{\ Displaystyle P_ {1} = 1}

Trayectoria del rayo SB al detector 2: se reflejó dos veces con un cambio de fase de π, una vez sin un cambio de fase y pasó a través de dos capas de vidrio.

Trayectoria del rayo RB al detector 2: se reflejó una vez con un cambio de fase de π y pasó a través de 2 capas de vidrio.

Estos dos haces llegan en fase opuesta y se cancelan: probabilidad de detección al detector 2 .

{\ Displaystyle P_ {2} = 0}

Resultado:

En funcionamiento normal, solo se activa el detector 1

Consecuencias de un cambio de fase

El hecho de introducir una muestra de espesor "e" y de índice de refracción "n" provoca una diferencia de trayectoria temporal: O bien un desfase entre los 2 haces: (modificando la distribución del haz entre los 2 detectores) O bien la función de onda sin muestra en el detector 1, con la muestra, la función de onda en el detector 1 se convierte en: o la probabilidad Y en el detector 2: o la probabilidad
${\ Displaystyle \ Delta t = {\ frac {e} {c}} - {\ frac {e} {c_ {0}}} = {\ frac {e} {c_ {0}}} (n-1) con: c = c_ {0} / n}$
${\ Displaystyle \ Delta \ Phi = 2 \ pi {\ frac {\ Delta t} {T}} = {\ frac {2 \ pi e (n-1)} {\ lambda}}}$

${\ Displaystyle \ Psi _ {0} (| \ Psi _ {0} ^ {2} | = 1)}$
${\ Displaystyle \ Psi _ {1} = \ Psi _ {0} {\ frac {1+ \ exp (i \ Delta \ Phi)} {2}}}$ ${\ Displaystyle P_ {1} = \ cos ^ {2} ({\ frac {\ Delta \ Phi} {2}})}$
${\ Displaystyle \ Psi _ {2} = \ Psi _ {0} {\ frac {1- \ exp (i \ Delta \ Phi)} {2}}}$ ${\ Displaystyle P_ {2} = \ sin ^ {2} ({\ frac {\ Delta \ Phi} {2}})}$

Experimentos de un fotón

Cuando reducimos la intensidad de la luz , también vemos que solo una de las salidas transmite (aquí la salida B), incluso si el flujo se reduce a un fotón a la vez. Al igual que con las rendijas de Young , la función de onda de cada fotón recorre ambos caminos e interfiere en el último espejo reflectante, de modo que solo la onda de B es constructiva. Cada fotón recorre, de cierta manera, ambos caminos al mismo tiempo.

Si introducimos un obstáculo en la rama sur del interferómetro, vemos que algunos fotones pueden salir, esta vez, por la salida A (con una probabilidad de 1/4).

La cuestión es saber cómo un fotón, liberado por A, y por tanto, habiendo seguido el camino sin obstáculos, conoce la existencia de un obstáculo en M. De hecho, si el fotón sale en A, es porque necesariamente tomó el camino del norte porque si hubiera tomado el camino del sur, habría sido absorbido por el obstáculo M. Entonces, si un fotón sale en A, estamos seguros de que un hay un obstáculo en el camino sur, pero no ha pasado nada en M. ¿Cómo podemos adquirir información sobre M sin enviarle energía? Este problema es el problema de la contrafactualidad en la física cuántica.

Kwiat y col. han diseñado un método (basado en filtros de polarización ) para probar si el obstáculo M, que absorbería el fotón, reduce tan cerca de 0 como se desee, la probabilidad de que un fotón real golpee el objeto bajo prueba.

Ver también

Bibliografía