Запутанные фотоны — основа совершенно новой формы света

Известно, что фотоны, частицы света, двигаются с огромной скоростью, не имеют массы покоя и практически не взаимодействуют друг с другом. Однако, проводя серию последних экспериментов, ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета создали принципиально новую форму света, в которой фотоны объединяются в группы, взаимодействуют друг с другом, замедляются и обретают массу.

© Christine Daniloff/MIT

Основой новых экспериментов стали результаты предыдущих исследований, в которых та же самая группа преуспела в создании так называемых «фотонных молекул», состоящих из пар взаимодействующих фотонов. И если удается получить взаимодействие двух фотонов, то почему такое не может произойти с участием трех или большего их количества?

«К примеру, мы можем объединить атомы кислорода и получить молекулы O₂ и O₃ (озон), но молекулу O₄ получить уже не удастся никаким из известных способов. Более того, большинство химических элементов не могут иметь молекулы, состоящие из трех атомов» — рассказывает Владан Вулетик (Vladan Vuletic), ведущий исследователь, — «В связи с этим у нас возник вопрос, можем ли мы добавить дополнительные фотоны и получить фотонные молекулы больших размеров?».

Новые эксперименты были во многом похожи на предыдущие. Облако атомов рубидия было охлаждено до температуры, близкой к температуре абсолютного ноля. После этого внутрь этого облака был направлен очень слабый луч света, в потоке которого содержалось по нескольку фотонов за один раз. И ученые измеряли параметры фотонов, которые появлялись из недр облака сверхохлажденных атомов.

В обычных условиях из недр облака атомов через случайные промежутки времени выходили бы единичные фотоны, двигающиеся в произвольном направлении. Однако, ученые зарегистрировали необычный факт, фотоны покидали пределы облака атомов группами по два-три фотона. Мало того, что такие фотоны буквально притягивались друг к другу, они получили массу. И пусть эта обретенная масса соответствует только маленькой части массы электрона, это огромный скачек для частицы, не имеющей массы покоя в обычных условиях. Обретение массы фотонами сказалось на их скорости перемещения, делая их в 100 тысяч раз медленней скорости света, скорости, с которой они распространяются в обычных условиях.

Помимо скорости и массы ученые измерили частотную характеристику фотонов, известную как фазу. Чем большее значение (смещение) имеет эта фаза, тем сильней взаимодействуют частицы света друг с другом. И изменение фаз фотонов, входящих в тройку, в три раза больше изменения фазы фотонов, входящих в пару.

«Удивителен сам факт того, что фотоны вообще смогли сформировать тройки» — рассказывает Вулетик, — «И в будущем мы постараемся выяснить, насколько более сильно связаны фотоны в тройках по отношению к фотонам, объединившимся в пары».

Так почему же происходит столь необычное явление? Для объяснения этого ученые выдвинули правдоподобную гипотезу, когда изначальные фотоны врезаются в атомы рубидия, возникают поляритоны, квантовые частицы, состоящие наполовину из света и наполовину из материи. Поляритон имеет массу и он может взаимодействовать с другими поляритонами. В момент такого взаимодействия поляритоны, два или три, распадаются, атомы остаются на месте в пределах облака, а фотоны продолжают двигаться, пребывая в связанном состоянии. И поскольку такие фотоны запутаны на квантовом уровне, они предоставляют возможность для их использования в технологиях квантовых вычислений.

Сейчас ученые наблюдают то, что взаимодействующие фотоны как бы притягиваются друг к другу. Но в дальнейшем будут проведены эксперименты, в которых ученые хотят добиться обратного — чтобы взаимодействующие связанные фотоны начали отталкивать друг друга.

«Все это является абсолютно новым и мы даже не знаем чего ожидать в будущем даже с теоретической точки зрения» — рассказывает Вулетик, — «Вполне вероятно, что фотоны, отталкивающие друг друга сформируют какой-то регулярный образ, своего рода «световой кристалл»».

Статья опубликована в журнале Science
Источник: dailytechinfo.org