Fysikere skaper ny tilstand av lys

Fotoner interagerer og kobles til trepartsmolekyler

Lyset fra de fiktive lasersverdene samhandler: de blokkerer seg selv. Men slike interaksjoner mellom fotoner har lenge vært ansett som umulige ... © Oleksiy Mark / thinkstock
lese høyt

Molekyler av lys: Forskere har for første gang indusert fotoner til å smelte sammen til molekyllignende trillinger. I denne helt nye lystilstanden oppfører fotonene seg som om de hadde en lav masse og flyr 10.000 ganger saktere enn normalt, slik forskerne i tidsskriftet "Science" melder. Det vanlige bildet av fotoner som aldri har interaksjon med hverandre, blir dermed endelig tilbakevist.

Når to bjelker krysser hverandre, skjer det vanligvis - ingenting. Begge bjelkene avbøyer eller reduseres ikke eller påvirker på annen måte. Årsaken: I motsetning til materiepartikler, samhandler de masseløse fotonene ikke med hverandre. De er så å si beryktede ensomme - i det minste den vanlige teorien.

Bundet lys

Men for noen år siden oppdaget forskere ledet av Vladan Vuletic fra Massachusetts Institute of Technology at fotoner kan gjøres til å anta en tilsynelatende umulig tilstand: Å lede en svak laserstråle gjennom en sky av ultralydede rubidiumatomer får noen av fotonene i den andre enden til å gå ut i par,

Fotonene oppfører seg som om de var koblet sammen - som i et molekyl. "En passende analogi ville være lasersverdene kjent fra science fiction-filmer, " forklarer Vuletic. "Når disse fotonene interagerer med hverandre, skyver de og distraherer hverandre - fysikken bak det ligner det som måtte skje i lysskiltene."

Slik fungerer det vanligvis: lysstråler krysser hverandre uten at de påvirker hverandre. © nelic / iStock

Fotoner i atomskyen

Men det store spørsmålet er: Kan lyspartiklene bare samvirke parvis, eller kan de kombineres til større "molekyler"? Det er akkurat det Vuletic og kollegene hans har testet. I eksperimentet brukte de igjen en sky av ultrakaldt og dermed nærmest stasjonært rubidiumatomer. Gjennom denne atomskyen sendte de en så svak laserstråle at bare en håndfull fotoner er i skyen om gangen. utstilling

Forskerne registrerte ikke bare fotonenes flukt, men også deres fase før og etter passasjen gjennom skyen. Dette tillot dem å bestemme mer presist enn før om og med hvor mange flere lyspartikler fotonene samhandlet. For som du forklarer, kan dette leses av omfanget av faseforskyvningen.

Tripletter av koblede fotoner

Og faktisk: Fotonene dukket ikke opp tilfeldig fordelt fra atomskyen. I stedet dannet de to og tre. Faseskiftet var tre ganger så stort i tripplene som i fotonparene. "Dette betyr at fotonene i disse trillingene ikke bare interagerer individuelt med et sekund, men at de alle interagerer med hverandre, " sier medforfatter Aditya Venkatramani ved Harvard University.

Dermed har forskerne skapt en annen tidligere ukjent lystilstand: lys fra triplett "molekyler" av fotoner. I denne tilstanden reagerer fotonene like sakte som om de hadde en lav masse, og hastigheten deres reduseres sammenlignet med den normale lyshastigheten: tripplene er omtrent 10.000 ganger saktere, som forskerne fant.

Så du kan tenke deg et samspill av fotoner: Som om strålene fra to lommelykter ville distrahere hverandre. Christine Daniloff / MIT

Kvasipartikler som bindemidler

Men hvordan oppstår disse eksotiske lysmolekylene? Fysikerne mistenker at det er en spesiell interaksjon mellom fotonene med atomene i atomskyen. Når de kommer i kontakt, blir atomet begeistret og danner med fotonet et polariton en kvasipartikkel som reagerer energisk som en hybrid.

Hvis to eller tre fotoner da danner slike polaritoner, samvirker atomkomponentene deres og trekker sammen fotonene som er bundet til dem. Dette skaper en kobling mellom fotonene, slik forskerne forklarer. Dette forblir intakt selv når fotonene forlater atomskyen og atatomkomponenten i polaritonene forblir.

"Det spennende er at fotonene tydeligvis 'husker' hva som skjer i skyen, " sier Vuletics-kollega Sergio Cantu. Som et resultat forblir lyspartiklene knyttet til hverandre selv etter at de har forlatt atomskyen. "De fotoniske dimerer og trimere har bølgefunksjoner som er avhengig av antall bundne fotoner og beholder sin form, " sier fysikerne.

Nyttig for kvantecomputere

Denne nye formen for lys kan ha praktiske anvendelser i fremtiden, slik forskerne forklarer. Fordi "lysmolekylene" tilbyr en ny måte å kode og overføre kvanteinformasjon. Selv ultra raske, komplekse kvanteberegninger kan utføres med den. Det gjenstår imidlertid å se om laser-sverd noen gang vil være mulig med dette bundne lyset som i Star Wars-sagaen.

Fysikerne ønsker nå å undersøke om lyset kan bringes til andre former for samhandling - for eksempel en gjensidig frastøtning. "Det hele er noe helt nytt, og vi vet absolutt ikke hva vi kan forvente, " sier Vuletic. "Danner frastøtende fotoner et vanlig mønster? Eller skjer noe helt annet? Det er en ekte terra incognita. "(Science, 2018; doi: 10.1126 / science.aao7293)

(Massachusetts Institute of Technology, 16.02.2018 - NPO)