Ученые создали "невозможную" молекулу из фотонов
30 сентября 2013
CNews

Ученые создали форму материи, которую многие считали невозможной. Впервые удалось соединить фотоны в молекулу - до сих пор даже рассуждения на эту тему вызывали ожесточенные споры в научной среде. Отчет о работе опубликован в журнале Nature.

Физики профессор Михаил Лукин из Гарварда и профессор Владан Вулетич из Массачусетского технологического института (MIT) фактически смогли создать новую форму материи из частиц света. Открытие ученых противоречит десятилетиями устоявшемуся общепринятому мнению о природе света. Уже давно считается, что фотоны - это безмассовые частицы, которые не взаимодействуют друг с другом. Проще говоря, два луча света просто проходят сквозь друг друга. Однако созданные учеными "фотонные молекулы" ведут себя совсем иначе и, теоретически, делают возможными доселе невероятные вещи, например световой меч из "Звездных войн".

"Большая часть свойств света, которые мы знаем, связана с отсутствием массы у фотонов и тем, что они не взаимодействуют друг с другом, - объясняет Михаил Лукин. - Мы создали особый тип среды. В ней фотоны взаимодействуют друг с другом так сильно, что они начинают действовать так, как будто у них есть масса. В результате фотоны связываются вместе, образуя молекулы. Этот тип связанного фотонного состояния довольно долгое время предполагался теоретиками, но до сих пор не наблюдался".

Когда фотоны взаимодействуют, они давят друг на друга и отклоняют друг друга. То есть световой меч джедаев, твердый световой столб, в свете открытия ученых уже не выглядит глупой придумкой фантастов.

Новая технология заставляет фотоны вести себя так, как будто они объединены в молекулу. Это явление можно использовать в квантовых вычислениях. Изображение: Nature

Чтобы заставить "нормальные" безмассовые фотоны связываться друг с другом, Лукин и его коллеги накачали атомы рубидия в вакуумную камеру, а затем охладили их лазером до температуры в несколько градусов выше абсолютного нуля. После этого с помощью крайне слабых лазерных импульсов в облако атомов рубидия послали одиночные фотоны.

Поскольку фотон входит в облако холодных атомов, его энергия возбуждает атомы на своем пути, в результате чего фотон значительно замедляется. Энергия фотона передается от атома к атому, и фотон ее теряет, но в конце концов он вылетает из облака, оставаясь тем же световым импульсом, что и до входа в облако.

Когда фотон выходит из облака, его идентичность сохранена, как это происходит с лучом света в стакане воды. В случае с атомами рубидия этот процесс немного более экстремальный - свет значительно замедляется и теряет намного больше энергии.

Однако ученых удивило другое: фотоны выходили из облака атомов рубидия вместе, как одна молекула. Как эти "молекулы" образуются и почему таких молекул никто до сих пор не видел?

Эффект, благодаря которому фотоны превращаются в особую форму материи, называется блокада Ридберга. Он основан на том, что при возбуждении атома, соседние атомы не могут быть возбуждены в той же степени. На практике это означает, что когда два фотона влетают в облако атомов, первый фотон возбуждает атом и вынужден двигаться вперед, до того, как второй фотон возбудит другой, соседний атом. Проще говоря, фотоны то тянут, то толкают друг друга, то есть взаимодействуют между собой, как молекулы, хоть и опосредованно (через атомы рубидия). Тем не менее, когда фотоны выходят из облака, они выходят вместе, а не как единичные фотоны.

В настоящее время ученые надеются применить новую технологию для разработки квантовых компьютеров. Более того, ученые не исключают, что в будущем появится возможность создавать кристаллы из фотонов, то есть чистого света.