Фізики Михайло Лукін і Владан Вулетич провели експеримент, в якому фотони взаємодіють, подібно до частинок в молекулі. Досі це вважалося можливим тільки в теорії.
Михайлу Лукіну (Гарвард) і Владану Вулетичу (Массачусетський технологічний інститут) вдалося змусити фотони зв'язуватися і утворювати якусь подобу молекули. Експериментально отримано новий стан матерії, можливість існування якого до цього розглядалася лише теоретично. Їхня робота описана в журналі Nature від 25 вересня.
Це відкриття, стверджує Лукін, йде врозріз з накопиченими за десятки років уявленнями про природу світла. Фотони традиційно описуються як частинки, що не мають маси і не взаємодіють один з одним: якщо пустити два лазерних промені строго назустріч, вони просто пройдуть наскрізь один через інший.
"Більшість відомих нам властивостей світла обумовлені тим, що фотони не мають маси і не взаємодіють один з одним, - каже Лукін. - Але нам вдалося створити середовище особливого типу, в якому фотони взаємодіють настільки сильно, що починають поводитися як якби мали масу, і зв'язуються один з одним, утворюючи молекули. Цей тип пов'язаного стану фотонів вже досить давно обговорюється теоретично, але досі його не вдавалося спостерігати ".
За словами Лукіна, аналогія зі світловим мечем, який так люблять автори космічного фентезі, не буде великою натяжкою. Коли такі фотони взаємодіють, вони відштовхуються один від одного і відхиляються в бік. Те, що відбувається в цей момент з молекулами, схоже на битву світлових мечів в кіно.
Щоб змусити фотони, які в нормі не мають маси, зв'язуватися один з одним, Лукін і колеги (Офер Фістерберг і Олексій Горшков з Гарварду і Тібо Пейронель і Ци Лян з Массачусетса) створили для них екстремальні умови. Дослідники закачали у вакуумну камеру атоми рубідію, потім, за допомогою лазера, охолодили атомну хмару майже до абсолютного нуля. За допомогою надслабких лазерних імпульсів вони вистрілювали в цю хмару одиничними фотонами.
"Коли фотон потрапляє в хмару холодних атомів, - розповідає Лукін, - його енергія приводить атоми, які" зустрілися йому на шляху ", в стан збудження, що різко уповільнює рух фотона. У міру того, як він рухається крізь хмару, його енергія переходить від атома до атома і зрештою виходить з хмари разом з фотоном. Коли фотон виходить з цього середовища, його ідентичність зберігається. Це той же ефект, який ми спостерігаємо при заломленні світла в склянці води. Світло входить у воду, передає частину своєї енергії середовищу і існує всередині нього одночасно як світло і речовина. Але вийшовши з води, він як і раніше залишається світлом. У проведеному експерименті з фотонами відбувається приблизно те ж, тільки більш високою мірою: світло істотно сповільнюється і передає середовищу більше енергії, ніж при рефракції ".
Вистріливши в хмару двома фотонами, Лукін і колеги виявили, що виходять вони разом, як єдина молекула
". Етот ефект називається блокадою Рідберга, - пояснює Лукін. - Він полягає в тому, що коли атом знаходиться в збудженому стані, ближні до нього атоми не можуть бути збуджені до того ж ступеня. Практично це означає, що коли в атомну хмару входять два фотони, перший збуджує будь-який атом, але повинен просунутися вперед перш, ніж другий фотон приведе в збудження сусідній. У результаті в міру того, як енергія двох фотонів переходить від атома до атома, вони ніби тягнуть і штовхають один одного крізь атомну хмару. Фотонна взаємодія обумовлена атомною взаємодією. Воно змушує два фотони поводитися подібно молекулі, і середовище вони з високою ймовірністю покинуть разом, як один фотон ".
Цей незвичайний ефект має ряд практичних застосувань.
"Ми робимо це для власного задоволення і щоб розширити межі знання, - каже Лукін. - Але наші результати добре вписуються у велику картину, оскільки фотони залишаються найкращим на сьогоднішній день засобом для перенесення квантової інформації. Досі основною перешкодою для використання їх у цій якості була відсутність взаємодії між ними ".
Щоб створити квантовий комп'ютер, потрібно створити систему, яка могла б зберігати квантову інформацію і обробляти її, використовуючи оператори квантової логіки. Основна трудність тут у тому, що квантова логіка вимагає взаємодії між одиночними квантами, тоді систему можна буде «включати» для обробки інформації.
"Нам вдалося показати, що це можливо, - каже Лукін. - Але перш, ніж ми отримаємо працюючий квантовий перемикач або створимо фотонну логіку, нам ще належить підвищити ефективність процесу; зараз це швидше зразок, що демонструє принципову ідею. Але і він являє собою великий крок: фізичні принципи, які затверджує ця робота, дуже важливі ".
Система, продемонстрована дослідниками, може стати в нагоді навіть у класичному комп'ютингу, де потреби в різноманітних носіях постійно зростають. Деякі компанії, в тому числі IBM, працюють над системами на основі оптичних роутерів, здатних перетворювати світлові сигнали в електричні, але у цих систем теж є обмеження.
Лукін також припустив, що розроблена його групою система коли-небудь зможе використовуватися для створення зі світла тривимірних кристалоподібних структур
".Ми поки не знаємо, як їх можна застосувати, - сказав він, - але це новий стан матерії; ми сподіваємося, що прикладний сенс з'явиться в міру того, як ми будемо далі досліджувати властивості фотонних молекул.
За матеріалами:
Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletić. Attractive photons in a quantum nonlinear medium. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12512 ,
EurekAlert