Учёные Гарварда и Массачусетского технологического института (MIT — МТИ) меняют общепринятую точку зрения о свете и для этого им не пришлось лететь в другую далёкую-предалёкую галактику.
Работая с коллегами из центра Ультрахолодных атомов Гарварда-Массачусетcа, группа профессора физики Гарварда Михаила Лукина и профессора физики МТИ Владана Вулетича смогла заговорить фотоны, чтобы они связались вместе в форму молекулы — состояние материи прежде бывшее только в чистой теории. Работа описана в статье Nature 25 сентября.
Со слов Лукина открытие вскрывает десятилетнее общепринятое противоречие, лежащее в основе природы света. «Фотоны уже давно считались безмассовыми частицами, которые не взаимодействуют друг с другом — ведь сияние двух лучей лазера, просто проходит сквозь друг друга» — говорит он.
«Фотонные молекулы», тем не менее, ведут себя не вполне как традиционные лазеры, а в большей степени как на страницах научной фантастики — световые мечи.
«Большая часть известных свойств света происходит из того, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют друг с другом, То что мы сделали — это создали особый тип среды, в которой фотоны стали взаимодействовать друг с другом так сильно, что начинают действовать так, будто у них есть масса и связываются вместе в молекулы.
Этот тип состояния фотонной связи теоретически обсуждался довольно-таки давно, но до сих пор его не наблюдали.
Не стоит проводить прямую аналогию со световыми мечами,» — добавляет Лукин. «Когда эти фотоны взаимодействуют друг с другом, они отталкиваются и отражают друг друга. Физика того, что происходит в этих молекулах похожа на то, что мы видим в кино.»
Но использовать «Силу» Лукину и его коллегам, включая Офера Фистерберга, Алексея Горшкова, Тибо Пейронэль и Чу Лянь, не представилось возможности, пришлось пользоваться набором экстремальных условий.
Исследователи начали с накачки атомов рубидия в вакуумной камере, затем лазерами охладили облако атомов до минимума, чуть выше абсолютного нуля, используя экстремально слабые импульсы лазера, они выстрелили одним фотоном в облако атомов.
«После выхода фотона из среды, он сохраняет свою идентичность,» — Лукин (Lukin). «Это похоже на эффект преломления света, который мы видим при прохождении света через стакан с водой. Свет проникает в воду и расплёскивает часть своей энергии в среде, но внутри неё он существует как свет и материя соединённые вместе, а когда выходит — продолжает быть светом. Тут примерно происходит такой же процесс, только ещё круче — свет сильно замедляется и выделяет гораздо больше энергии, чем при преломлении.»
Когда Лукин и его коллеги выпустили два фотона в облако их удивило то, что фотоны на выходе объединились в одну молекулу.
Что заставило их сформировать никогда-невиданную молекулу?
«Этот эффект называется блокада Ридберга,» — сказал Лукин, — " который описывает состояние атомов, когда атом возбуждён — соседние атомы не могут быть возбуждены в той же степени. На практике эффект обозначает, что как только два фотона входят в атомарное облако,
первый возбуждает атом, но должен оказаться впереди раньше, чем второй фотон сможет возбудить соседние атомы.
В результате, с его слов, получается, что два фотона как бы тянут и толкают друг друга через облако, в то время как их энергия перекидывается от одного атома к другому.
Это фотонное взаимодействие опосредованное атомным взаимодействием," — говорит Лукин. «Это заставляет фотоны вести себя как молекулы и когда они выходят из среды, наиболее вероятно они сделают это вместе, а не как единичные фотоны.»
Хотя эффект и необычен для него возможно практическое применение.
«Мы это делали for fun (для развлечения), ну и потому что мы раздвигаем границы науки,» — говорит Лукин.
«Но это включается в более широкую картину того, что мы делаем, потому что фотоны остаются наилучшим возможным средством для передачи квантовой информации. Главным недостатком было то, что фотоны не взаимодействуют друг с другом.
Чтобы построить квантовый компьютер,» — объясняет он, — " исследователям нужно построить систему, которая сможет хранить квантовую информацию, и обрабатывать её с помощью операций квантовой логики.
Но проблема была в том, что квантовая логика требует взаимодействия между отдельными квантами, чтобы эти квантовые системы могли переключаться для выполнения обработки информации.
То, что мы продемонстрировали в этом процессе, позволит нам пойти дальше" — сказал профессор Гарварда Михаил Лукин.
«Прежде чем мы дойдём до практического применения квантового переключателя или преобразователя фотонной логики, мы должны усовершенствовать производительность, так что это всё ещё находится на уровне доказательства концепции, но это важный шаг.
Установленные нами здесь физические принципы являются важными. Система может быть полезна также и в классических вычислениях, для снижения потерь мощностей, которые сейчас испытывают производтели чипов.
Некоторые компании, включая IBM, разрабатывали системы, основанные на оптических маршрутизаторах, которые преобразовывают световые сигналы в электрические, но у них были определённые сложности.»
Лукин также предположил, что система может в один прекрасный день быть использована даже для создания сложной трёхмерной структуры — такой как кристалл — полностью из света.
«Для чего это будет полезно, мы ещё не знаем толком, но это новое состояние вещества, поэтому мы полны надежд, что применение для него может возникнуть в процессе продолжения нашего исследования свойств этих фотонных молекул», — сказал он.
Harvard University (2013, September 25). Seeing light in a new light: Scientists create never-before-seen form of matter. ScienceDaily. Retrieved September 25, 2013, from www.sciencedaily.com /releases/2013/09/130925132323.htm
Автор: oeai
