Вчені створили нову унікальну форму матерії, що складається з фотонів світла і схожу на меч лицарів-джедаїв
Група вчених з дослідницького Центру вивчення ультрахолодних атомів Гарварду-Массачуссетса (Harvard-MIT Center for Ультрахолодних Atoms), очолювана професором Михайлом Лукіним (Mikhail Lukin) і Владэном Вулетиком (Vladan Vuletic), вперше в історії науки змусили фотони світла взаємодіяти між собою і зв'язатися, утворюючи щось молекул речовини, що формують матерію, яка до цього існувала тільки в теорії. Дане відкриття було зроблено всупереч всім знань людей про природу світла, які накопичувалися протягом більш ніж сотні років, і воно спростовує твердження про те, що фотони є нейтральними легкими частинками, які не можуть взаємодіяти один з одним.
"Поведінка утворених фотонних молекул відрізняється від поведінки світла природного походження і штучного походження, від променів лазерного світла з якого вони були зроблені" - розповідає професор Лукін, - "Більше всього їх поведінка нагадує щось, добре відоме нам з наукової фантастики - світловий меч лицарів-джедаїв з "Зоряних воєн"".
"Більшість властивостей світла, які відомі нам нині, вказують на те, що фотони невагомі і не взаємодіють між собою, два променя лазерного світла вільно проходять один крізь одного, не зазнаючи ніяких змін. Але нам вдалося створити спеціальну середу з унікальними умовами, в якій фотони починають взаємодіяти між собою настільки сильно, ніби у них є значна маса. Завдяки цьому вони об'єднуються в щось, що ми назвали фотонними молекулами. Такий вид взаємодії фотонів існував в теорії вже досить давно, але до нас його ніхто не спостерігав практично" - розповідає Лукін, - "Звичайно, не дуже коректно порівнювати нову форму фотонної матерії зі світловими мечами. Але коли фотонні молекули взаємодіють між собою, вони або притягуються або відштовхуються, що проявляється на фізичному плані у вигляді ефектів, які ми могли бачити в поєдинках на світлових мечах".
Для того, щоб змусити невагомі фотони світла взаємодіяти один з одним, вченим не довелося звертатися за допомогою Сили джедаїв. Замість цього вони зробили установку, в якій був створений цілий ряд унікальних умов та характеристик середовища. Все почалося з "накачування" вакуумної камери газом з атомів рубідію, які потім за допомогою світла лазера були охолоджені до температури в декілька градусів вище абсолютного нуля. Потім вчені почали посилати слабкі імпульси, практично поодинокі фотони світла іншого лазера в саму гущу хмари охолоджених атомів рубідію.
Фотони світла, входячи в хмару атомів, збуджують ці атоми, віддаючи їм частину своєї енергії і різко уповільнює свій рух. Ця енергія передається від атома до атома зі швидкістю руху початкового фотона і, в кінцевому рахунку, ця енергія залишає межі хмари атомів одночасно з початковим фотоном.
"Коли фотон покидає хмару, всі його характеристики залишаються такими ж, як і до входу в нього", - розповідає професор Лукін, - "Подібний ефект ми спостерігаємо, коли світло заломлюється усередині посудини з водою. Світ входить у воду, віддаючи їй частину своєї енергії, і в цей момент існує деяка субстанція, що складається з трьох компонентів, світла, енергії і матерії. Але коли світло залишає межі води, він повертається до свого початкового стану. У випадку зі світлом і хмарою атомів рубідію все відбувається точно також, але ефект проявляється значно сильніше, світло сповільнюється до більш низької швидкості, віддаючи більшу кількість енергії матерії, ніж це відбувається у випадку зі світлом і водою".
Коли вчені стали посилати в надра хмари атомів рубідію не по одному фотону, а по кілька, вони виявили, що ці фотони залишали межі хмари, згуртувавшись разом в єдине утворення, в фотонну молекулу. В даному випадку це відбувається за рахунок впливу ефекту блокади Рідберга (Rydberg blockade). Цей ефект визначає, що коли один атом хмари газу порушується за рахунок надходження енергії ззовні до якогось енергетичного рівня, сусідні атоми не можуть бути порушені до такого ж рівня. А на практиці це означає, що коли два або більше фотонів синхронно входять в хмару атомів, один з фотонів своєю енергією збуджує перший-ліпший атом, сповільнюючи при цьому свій рух. За рахунок блокади Рідберга другий фотон не може віддати енергію навіть іншим атомам і продовжує рухатися з колишньою швидкістю, випереджаючи перший фотон. Коли другий фотон досягає зони, вільної від впливу блокади Ридберга, він також віддає ліпшого атому частину своєї енергії і сповільнює свій рух. У результаті виходить майже синхронне рух двох повільних фотонів і двох хвиль енергії, які постійно тягнуть і штовхають один одного.
"Це взаємодія між фотонами визначається взаємодією атомів в хмарі" - розповідає Лукін, - "Воно змушує фотони вести себе подібно єдиній молекулі, і коли фотони покидають межі хмари, вони в більшості випадків продовжують вести себе як фотонна молекула".
Зроблений вченими ефект, заснований на взаємодії фотонів світла, безумовно, цікавий і незвичайний. Але у нього є кілька видів практичного застосування. "Багатьом може здатися, що ми просто граємося, одночасно розсовуючи межі людських знань" - пояснює Лукін, - "Це зовсім не так, фотони світла залишаються найкращим засобом передачі квантової інформації. І однією з перешкод до розробки технологій квантових обчислень і квантових комунікацій було те, що ми не могли змусити фотони взаємодіяти один з одним. Тепер нам вдалося вирішити цю проблему".
Надалі вчені збираються застосувати розроблену ними технологію для створення складних просторових структур, подібних кристалам, що складаються з фотонних молекул, тобто з чистого світла. "Це дозволить нам реалізувати повністю нематеріальну квантово-оптичну систему, що містить фундаментальні логічні елементи, які можна використовувати для обробки і зберігання квантової інформації" - розповідає Лукін, - "Звичайно, для реалізації цього нам дещо доведеться переробити і вдосконалити, а те, чого ми досягли зараз, є лише доказом працездатності нових фізичних принципів".
"Чим наше відкриття може бути корисно, ми поки ще не знаємо, це стане відомо тільки в майбутньому. Але це - новий вид матерії, точніше її нова форма, і ми сподіваємося, що подальші вивчення властивостей фотонних молекул і фотонних кристалів вкажуть нам на області їх практичного застосування".