Фотонная молекула: новая форма материи?

Физики Михаил Лукин и Владан Вулетич провели эксперимент, в котором фотоны взаимодействуют, подобно частицам в молекуле. До сих пор это считалось возможным только в теории.

Михаилу Лукину (Гарвард) и Владану Вулетичу (Массачусетский технологический институт) удалось заставить фотоны связываться и образовывать некое подобие молекулы. Экспериментально получено новое состояние материи, возможность существования которого до этого рассматривалась лишь теоретически. Их работа описана в журнале 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 массы и не взаимодействующие друг с другом: если пустить два лазерных луча строго навстречу, они просто пройдут насквозь один через другой.

 «Большинство известных нам свойств света обусловлены тем, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют друг с другом, - говорит Лукин. - Но нам удалось создать среду особого типа, в которой фотоны взаимодействуют настолько сильно, что начинают вести себя как если бы имели массу, и связываются друг с другом, образуя молекулы. Этот тип связанного состояния фотонов уже довольно давно обсуждается теоретически, но до сих пор его не удавалось наблюдать».

По словам Лукина, аналогия со световым мечом, который  так любят авторы космического фэнтэзи, не будет большой натяжкой. Когда такие фотоны взаимодействуют, они отталкиваются друг от друга и отклоняются в сторону. То, что происходит в этот момент с молекулами, похоже на сражение световых мечей в кино.

  Чтобы заставить фотоны, в норме не имеющие массы, связываться друг с другом, Лукин и коллеги (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, затем, с помощью лазера, охладили атомное облако почти до абсолютного нуля. С помощью сверхслабых лазерных импульсов они выстреливали в это облако единичными фотонами.  
«Когда фотон попадает в облако холодных атомов, – рассказывает Лукин,  – его энергия приводит атомы, которые «встретились ему на пути», в состояние возбуждения, что резко замедляет движение фотона. По мере того, как он движется сквозь облако, его энергия переходит от атома к атому и в конце концов выходит из облака вместе с фотоном. Когда фотон выходит из этой среды, его идентичность сохраняется. Это тот же эффект, который мы наблюдаем при преломлении света в стакане воды. Свет входит в воду, передаёт часть своей энергии среде и существует внутри неё одновременно как свет и вещество. Но выйдя из воды, он по-прежнему остается светом. В проведенном эксперименте с фотонами происходит примерно то же, только в более высокой степени: свет существенно замедляется  и передаёт среде больше энергии, чем при рефракции».

Выстрелив в облако двумя фотонами, Лукин и коллеги обнаружили, что выходят они вместе, как единая молекула.
«Этот эффект называется блокадой Ридберга, – объясняет Лукин. – Он заключается в том, что когда атом находится в возбуждённом состоянии, ближние к нему атомы не могут быть возбуждены до той же степени. Практически это значит, что когда в атомное облако входят два фотона, первый возбуждает какой-либо атом, но должен продвинуться вперёд прежде, чем второй фотон приведёт в возбуждение соседний. В результате по мере того, как энергия двух фотонов переходит от атома к атому, они как бы тянут и толкают друг друга сквозь атомное облако. Фотонное взаимодействие обусловлено атомным взаимодействием. Оно заставляет два фотона вести себя подобно молекуле, и среду они с высокой вероятностью покинут  вместе, как один фотон».

Этот необычный эффект имеет ряд практических применений.

 «Мы делаем это для собственного удовольствия и чтобы расширить границы знания, – говорит Лукин. – Но наши результаты хорошо вписываются в большую картину,  поскольку фотоны остаются лучшим на сегодняшний день средством для переноса квантовой информации. До сих пор основным препятствием для использования их в этом качестве было отсутствие взаимодействия между ними».

Чтобы создать квантовый компьютер,  нужно создать систему, которая могла бы сохранять квантовую информацию и обрабатывать её, используя операторы квантовой логики. Основная трудность здесь в том, что квантовая логика требует взаимодействия между одиночными квантами, тогда систему можно будет «включать» для обработки информации.

«Нам удалось показать, что это возможно, – говорит Лукин. – Но прежде, чем мы получим  работающий квантовый переключатель или создадим фотонную логику,  нам ещё предстоит повысить эффективность процесса; сейчас это скорее образец, демонстрирующий принципиальную идею. Но и он представляет собой  большой  шаг: физические принципы, которые утверждает эта работа, очень важны».

Система, продемонстрированная исследователями,  может пригодиться даже в классическом компьютинге, где потребности в  разнообразных носителях постоянно растут. Некоторые компании, в том числе IBM, работают над системами на основе оптических роутеров, способных преобразовывать световые сигналы в электрические, но у этих систем тоже есть ограничения.

Лукин также предположил, что разработанная его группой система когда-нибудь сможет использоваться для создания из света трёхмерных кристаллоподобных структур.
«Мы пока не знаем, как их можно  применить, – сказал он, –  но это новое состояние материи; мы надеемся, что прикладной смысл появится по мере того, как мы будем дальше исследовать свойства  фотонных молекул.

По материалам:

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