Физики получили ранее невиданный тип материи из света

Физики уже сделали первый шаг на пути к созданию настоящего светового меча

(фото JD Hancock/Flickr).

Фотоны с сильным взаимным притяжением в квантовой нелинейной среде

(иллюстрация Nature).

Команда физиков из Центра ультрахолодных атомов при Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте (Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms) под руководством нашего соотечественника Михаила Лукина получила ранее невиданный тип материи.

Это вещество, по словам авторов исследования, противоречит вековым представлениям учёных о природе света. Фотоны считаются безмассовыми частицами, неспособными взаимодействовать друг с другом. Например, если направить два лазерных луча друг на друга, то они просто пройдут насквозь, никак не реагируя между собой.

Но на этот раз Лукину и его команде удалось экспериментально опровергнуть это убеждение. Они заставили частицы света образовать друг с другом прочную связь и даже собираться в молекулы. Ранее такие опыты имели место только в теории.

"Фотонные молекулы ведут себя не как обычные лазерные лучи, а как нечто близкое к научной фантастике — джедайские световые мечи, например", — заявляет Лукин.

"Большинство описанных свойств света исходят из убеждения об отсутствии массы у фотонов. Именно поэтому они никак не взаимодействуют друг с другом. Всё, что мы сделали, это создали особую среду, в которой частицы света взаимодействуют друг с другом так сильно, что начинают вести себя, как если бы у них была масса, и формируются в молекулы", — поясняет физик.

В создании фотонных молекул, а точнее, среды, пригодной для их формирования, Лукин и его коллеги не могли рассчитывать на Силу. Им пришлось провести сложный эксперимент с точными расчётами, но абсолютно поразительными результатами.

Для начала исследователи поместили атомы рубидия в вакуумную камеру и использовали лазеры, чтобы охладить атомное облако всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Затем, создавая очень слабые лазерные импульсы, учёные направляли в рубидиевое облако по одному фотону.

"Когда фотоны входят в облако холодных атомов, их энергия заставляет атомы переходить в возбуждённое состояние. В результате частицы света замедляются. Фотоны движутся сквозь облако, а энергия передаётся от атома к атому до тех пор, пока не покинет среду вместе с самим фотоном. При этом состояние среды сохраняется таким же, каким было до "посещения" фотона", — рассказывает Лукин.

Физики уже сделали первый шаг на пути к созданию настоящего светового меча (фото JD Hancock/Flickr).

Авторы исследования сравнивают этот процесс с преломлением света в стакане воды. Когда луч проникает в среду, то отдаёт ей часть своей энергии и внутри стакана он представляет собой "связку" между светом и материей. Но, выходя из стакана, он всё также является светом. Практически тот же процесс имеет место в эксперименте Лукина. Физическая разница лишь в том, что свет сильно замедляется и отдаёт больше энергии, чем при обычном преломлении в стакане с водой.

На следующем этапе эксперимента учёные отправили в рубидиевое облако два фотона. Каково же было их удивление, когда они поймали на выходе два связанных в молекулу фотона. Это можно назвать единицей невиданного ранее вещества. Но в чём причина такой связи?

Эффект был описан ранее теоретически и носит название блокады Ридберга. Согласно этой модели, при возбуждении одного атома другие соседние атомы не могут перейти в то же самое возбуждённое состояние. На практике это означает, что при вхождении двух фотонов в облако из атомов, первый будет возбуждать атом и продвигаться вперёд, прежде чем второй фотон возбудит соседние атомы.

В результате два фотона будут толкать и тянуть друг друга, проходя через облако, пока их энергия передаётся от одного атома к другому.

"Это фотонное взаимодействие, которое опосредованно взаимодействием атомным. Благодаря этому два фотона будут вести себя как одна молекула, нежели как две отдельные частицы, на выходе из среды", — поясняет Лукин.

Авторы исследования признаются, что провели этот эксперимент больше для забавы, чтобы проверить на прочность фундаментальные границы науки. Однако у такого удивительного открытия может быть масса практических применений.

Фотоны с сильным взаимным притяжением в квантовой нелинейной среде (иллюстрация Nature).

К примеру, фотоны являются оптимальным носителем квантовой информации, проблемой был лишь тот факт, что частицы света не взаимодействуют друг с другом. Чтобы построить квантовый компьютер, необходимо создать систему, которая будет хранить единицы квантовой информации и обрабатывать её с помощью квантовых логических операций.

Проблема состоит в том, что такая логика требует взаимодействия между отдельными квантами таким образом, чтобы системы переключались и выполняли обработку информации.

"Наш эксперимент доказывает, что это возможно. Но перед тем, как мы займёмся созданием квантового переключателя или фотонного логического вентиля, нам необходимо улучшить производительность фотонных молекул", — говорит Лукин. Таким образом, нынешний результат лишь доказательство работы концепции на практике.

Открытие физиков будет полезно и в производстве классических компьютеров и вычислительных машин. Оно поможет решить ряд проблем, связанных с потерями мощности, с которыми сталкиваются производители компьютерных чипов.

Если говорить о далёком будущем, то однажды последователи Лукина смогут, вероятно, создать трёхмерную структуру, вроде кристалла, состоящую полностью из света.

Описание эксперимента и выводы учёных можно почитать в статье Лукина и его коллег, опубликованной в журнале Nature.

Также по теме:
Американские инженеры создали фотонный транзистор
Учёные разработали лазеры, которые можно напечатать на принтере
Создан нанолазер размером с вирус
Физики заговорили о наличии массы у частиц света
Ученые Германии и России поймали 100 тысяч запутанных фотонов