Фотонная молекула: новая форма материи?

11.01.2010 Наука и жизнь

Физики Михаил Владан и Лукин Вулетич совершили опыт, в котором фотоны взаимодействуют, подобно частицам в молекуле. До сих пор это считалось вероятным лишь в теории.

Михаилу Лукину (Гарвард) и Владану Вулетичу (Массачусетский технологический университет) удалось вынудить фотоны связываться и образовывать некое подобие молекулы. Экспериментально получено новое состояние материи, возможность существования которого до этого рассматривалась только теоретически. Их работа обрисована в издании Nature от 25 сентября.

Это открытие, утверждает Лукин, идёт вразрез с накопленными за десятки лет представлениями о природе света. Фотоны традиционно описываются как частицы, не имеющие веса и не взаимодействующие между собой: в случае если разрешить войти два лазерных луча строго навстречу, они просто пройдут полностью один через второй.

 «Большая часть известных нам особенностей света обусловлены тем, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют между собой, — говорит Лукин. — Но нам удалось создать среду особенного типа, в которой фотоны взаимодействуют так очень сильно, что начинают вести себя как если бы имели массу, и связываются между собой, образуя молекулы.Фотонная молекула: новая форма материи? Данный тип связанного состояния фотонов уже достаточно давно обсуждается теоретически, но до сих пор его не получалось замечать».

По словам Лукина, аналогия со световым клинком, что  так обожают авторы космического фэнтэзи, не будет громадной натяжкой. В то время, когда такие фотоны взаимодействуют, они отталкиваются друг от друга и отклоняются в сторону. То, что происходит сейчас с молекулами, похоже на сражение световых клинков в кино.

  Дабы вынудить фотоны, в норме не имеющие веса, связываться между собой, коллеги и Лукин (Офер Фистерберг и Алексей Горшков из Гарварда и Тибо Пейронель и Ци Лян из Массачусетса) создали для них экстремальные условия. Исследователи закачали в вакуумную камеру атомы рубидия, после этого, посредством лазера, охладили ядерное облако практически до безотносительного нуля. Посредством сверхслабых лазерных импульсов они выстреливали в это облако единичными фотонами.  
«В то время, когда фотон попадает в облако холодных атомов, –говорит Лукин,  – его энергия приводит атомы, каковые «встретились ему на пути», в состояние возбуждения, что быстро замедляет перемещение фотона. По мере того, как он движется через облако, его энергия переходит от атома к атому и в итоге выходит из облака вместе с фотоном. В то время, когда фотон выходит из данной среды, его идентичность сохраняется. Это тот же эффект, что мы замечаем при преломлении света в стакане воды.

Свет входит в воду, передаёт часть собственной энергии среде и существует в неё в один момент как вещество и свет. Но выйдя из воды, он так же, как и прежде остается светом. В совершённом опыте с фотонами происходит приблизительно то же, лишь в более высокой степени: свет значительно замедляется  и передаёт среде больше энергии, чем при рефракции».

Выстрелив в облако двумя фотонами, коллеги и Лукин поняли, что выходят они совместно, как единая молекула.
«Данный эффект именуется блокадой Ридберга,– растолковывает Лукин.– Он содержится в том, что в то время, когда атом будет в возбуждённом состоянии, ближние к нему атомы не смогут быть возбуждены до той же степени. Фактически это значит, что в то время, когда в ядерное облако входят два фотона, первый возбуждает какой-либо атом, но обязан продвинуться вперёд прежде, чем второй фотон приведёт в возбуждение соседний.

В следствии по мере того, как энергия двух фотонов переходит от атома к атому, они как бы тянут и толкают друг друга через ядерное облако. Фотонное сотрудничество обусловлено ядерным сотрудничеством. Оно заставляет два фотона вести себя подобно молекуле, и среду они с высокой возможностью покинут  совместно, как один фотон».

Данный необыкновенный эффект имеет последовательность практических применений.

 «Мы делаем это для собственного наслаждения и дабы увеличить границы знания,– говорит Лукин. – Но отечественные результаты прекрасно вписываются в громадную картину,  потому, что фотоны остаются лучшим на сегодня средством для переноса квантовой информации. До сих пор главным препятствием для применения их в этом качестве было отсутствие сотрудничества между ними».

Дабы создать квантовый компьютер,  необходимо создать совокупность, которая имела возможность бы сохранять квантовую данные и обрабатывать её, применяя операторы квантовой логики. Главная трудность тут в том, что квантовая логика требует сотрудничества между одиночными квантами, тогда совокупность возможно будет «включать» для обработки информации.

«Нам удалось продемонстрировать, что это быть может, – говорит Лукин. – Но прежде, чем мы возьмём  трудящийся квантовый тумблер либо создадим фотонную логику,  нам ещё предстоит повысить эффективность процесса; на данный момент это скорее пример, демонстрирующий принципиальную идею. Но и он представляет собой  громадный  ход: физические правила, каковые утверждает эта работа, крайне важны».

Совокупность, показанная исследователями,  может понадобиться кроме того в хорошем компьютинге, где потребности в  разнообразных носителях всегда растут. Кое-какие компании, а также IBM, трудятся над совокупностями на базе оптических роутеров, талантливых преобразовывать световые сигналы в электрические, но у этих совокупностей также имеется ограничения.

Лукин кроме этого высказал предположение, что созданная его группой совокупность когда-нибудь сможет употребляться для из света трёхмерных кристаллоподобных структур.
«Мы пока не знаем, как их возможно  применить, – сообщил он, –  но это новое состояние материи; мы сохраняем надежду, что прикладной суть покажется по мере того, как мы будем дальше изучить свойства  фотонных молекул.

По данным:

Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic. Attractive photons in a quantum nonlinear medium. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12512 ,

EurekAlert

Создатель: Елена Вешняковская

Источник: www.nkj.ru

Случайные записи:

М.В.Попов. 03. \


Похожие статьи, которые вам понравятся: