Фотонната молекула е нова форма на материята, науката и живота

Дневникът е добавен в кошницата.

Фотонна молекула: нова форма на материята?

Физиците Михаил Лукин и Владан Вулетич проведоха експеримент, при който фотоните си взаимодействат, като частици в молекула. Досега това се смяташе за възможно само на теория.

Това откритие, твърди Лукин, противоречи на идеите за природата на светлината, натрупана в продължение на десетилетия. Фотоните традиционно се описват като частици, които нямат маса и не си взаимодействат помежду си: ако изпратите два лазерни лъча строго срещуположно, те просто ще преминат един през друг.

„Повечето от свойствата на светлината, които познаваме, се дължат на факта, че фотоните нямат маса и не взаимодействат помежду си“, казва Лукин. „Но успяхме да създадем специален тип среда, в която фотоните взаимодействат толкова силно, че започват да се държат така, сякаш имат маса и се свързват помежду си, образувайки молекули. Този тип свързано състояние на фотоните се обсъжда теоретично дълго време, но досега не е било възможно да се наблюдава ".

За да принудят нормално без масовите фотони да се свързват помежду си, Лукин и колегите му (Офер Фистерберг и Алексей Горшков от Харвард и Тибо Пейронел и Ци Лианг от Масачузетс) създават екстремни условия за тях. Изследователите изпомпваха атомите на рубидий във вакуумна камера, след което с помощта на лазер охлаждаха атомния облак до почти абсолютна нула. Използвайки свръхслаби лазерни импулси, те заснеха единични фотони в този облак.
„Когато фотонът удари облак студени атоми - казва Лукин - енергията му довежда атомите,„ срещнати по пътя си “, в състояние на възбуждане, което рязко забавя движението на фотона. Докато се движи през облака, неговата енергия преминава от атом на атом и в крайна сметка излиза от облака заедно с фотона. Когато фотон напусне тази среда, неговата идентичност се запазва. Това е същият ефект, който наблюдаваме, когато светлината се пречупва в чаша вода. Светлината навлиза във водата, пренася част от енергията си в околната среда и съществува вътре в нея едновременно като светлина и материя. Но когато излезе от водата, тя все още е лека. При експеримента, проведен с фотони, се случва приблизително същото, само до по-висока степен: светлината се забавя значително и предава повече енергия в средата, отколкото по време на пречупването. ".

Изстрелвайки два фотона в облака, Лукин и колеги откриват, че те излизат заедно като една молекула.
„Този ефект се нарича блокада на Ридберг“, обяснява Лукин. - Състои се в това, че когато атомът е във възбудено състояние, най-близките до него атоми не могат да бъдат възбудени в еднаква степен. На практика това означава, че когато два фотона влязат в атомен облак, първият възбужда някакъв атом, но трябва да се придвижи напред, преди вторият фотон да възбуди съседен. В резултат на това, докато енергията на двата фотона преминава от атом на атом, те сякаш се изтеглят и тласкат един друг през атомния облак. Фотонното взаимодействие се дължи на атомното взаимодействие. Това кара два фотона да се държат като молекула и те най-вероятно ще напуснат околната среда заедно, като един фотон. ".

Този необичаен ефект има редица практически приложения.

„Правим това за наше собствено удоволствие и за да разширим границите на знанията“, казва Лукин. „Но нашите резултати се вписват добре в общата картина, тъй като фотоните остават най-доброто средство за пренос на квантова информация днес. Досега основната пречка за използването им в това си качество беше липсата на взаимодействие между тях ".

За да създадете квантов компютър, трябва да създадете система, която може да съхранява квантова информация и да я обработва, използвайки операторите на квантовата логика. Основната трудност тук е, че квантовата логика изисква взаимодействие между единични кванти, след което системата може да бъде "включена" за обработка на информация.

„Успяхме да покажем, че това е възможно“, казва Лукин. - Но преди да получим работещ квантов превключвател или да създадем фотонна логика, все още трябва да подобрим ефективността на процеса; сега това е по-скоро пример, демонстриращ принципна идея. Но това също представлява голяма стъпка: физическите принципи, които тази работа твърди, са много важни ".

Демонстрираната от изследователите система може да бъде полезна дори в класическите изчисления, където търсенето на различни медии непрекъснато нараства. Някои компании, включително IBM, работят върху системи, базирани на оптични рутери, които могат да преобразуват светлинните сигнали в електрически, но тези системи също имат ограничения.

Лукин също така предположи, че системата, разработена от неговата група, може някой ден да се използва за създаване на триизмерни кристалоподобни структури от светлина.
„Все още не знаем как могат да бъдат приложени - каза той, - но това е ново състояние на материята; надяваме се, че приложеното значение ще се появи, докато допълнително изследваме свойствата на фотонните молекули.

Офер Фирстенберг, Тибо Пейронел, Ки-Ю Лианг, Алексей В. Горшков, Михаил Д. Лукин, Владан Вулетич. Атрактивни фотони в квантова нелинейна среда. Природа, 2013; DOI: 10.1038/nature12512,