Ученые создали доселе невиданную форму материи

3 749 просмотров
Об авторе

Молекулы света

Работая с коллегами из Центра ультрахолодных атомов Harvard-MIT, группа под предводительством гарвардского профессора физики Михаила Лукина и профессора физики Массачусетского технологического института Владана Вулетича смогла связать фотоны вместе с образованием молекулы — это состояние вещества, до недавнего времени, было исключительно теоретическим. Работа была описана 25 сентября в журнале Nature.

Открытие, по словам Лукина, противоречит общепринятому мнению о природе света, устоявшемуся за десятки лет. Фотоны давно описываются как безмассовые частицы, которые не взаимодействуют друг с другом. Направьте два лазерных луча друг на друга, и они просто пройдут насквозь.

«Фотонные молекулы» ведут себя не так, как традиционные лазеры и многое другое, а скорее как то, что считалось глупым и невозможным ребенком научной фантастики — световой меч.

«Большая часть свойств света, которые мы знаем, исходит из того, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют друг с другом», — сказал Лукин. — «Мы создали особый тип среды, в которой фотоны так сильно взаимодействуют друг с другом, что начинают действовать, как будто у них есть масса, и связываются вместе, образуя молекулы. Этот тип связанного фотонного состояния обсуждался довольно долго, но так и оставался теорией. Мы можем сравнить его с поведением световых мечей. Когда такие фотоны взаимодействуют друг с другом, они давят и отклоняют друг друга. Физика происходящего в этих молекулах аналогична тому, что мы видим в фильмах».

Чтобы заставить обычные безмассовые фотоны связаться друг с другом, Лукин и его коллеги не могли рассчитывать на что-то вроде Силы, а просто приняли набор более экстремальных условий.

Исследователи начали с накачки атомов рубидия в вакуумную камеру, затем при помощи лазеров охладили облако атомов до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Используя крайне слабые лазерные импульсы, затем они выстреливали одиночные фотоны в облако атомов.

Когда фотоны попадали в облако холодных атомов, говорит Лукин, их энергия возбуждала атомы на пути, в результате чего фотоны крайне замедлялись. Пока фотон двигался через облако, энергия передавалась от атома к атому и выходила из облака вместе с фотоном.

«Когда фотон выходит из среды, ее идентичность сохраняется», — говорит Лукин. — «Примерно такой же эффект мы видим во время преломления света в стакане воды. Свет входит в воду, отдает часть энергии среде, а в ней существует как связь света и материи. Но когда он выходит, остается светом. В нашем случае процесс точно такой же, но более экстремальный: свет значительно замедляется и гораздо больше энергии отдается, чем во время преломления».

Когда Лукин и коллеги запустили два фотона в облако, они удивились, обнаружив, что вышла целая молекула из двух фотонов.

Почему они слились в доселе невиданную молекулу?

Молекулы света

Фотоны с сильным взаимным притяжением в квантовой нелинейной среде. Изображение: Nature

Эффект блокады Ридберга — говорит Лукин. Это когда атом возбуждается, ближайшие атомы не могут быть возбуждены до такой же степени. На практике этот эффект означает, что когда два фотона входят в атомное облако, первый возбуждает атом, но должен двигаться вперед, прежде чем второй фотон возбудит ближайшие атомы. В результате два фотона тянут и толкают друг друга через облако, а их энергия передается от одного атома к другому.

«Это фотонное взаимодействие, связанное взаимодействием атомов», — говорит Лукин. — «Два фотона ведут себя как молекула, и когда они выходят из среды, они с большой вероятностью сделают это не как единичные фотоны».

Хотя эффект достаточно необычный, у него есть несколько практических применений.

«Мы делаем это ради забавы и потому что нам нужно расширять границы науки», — говорит Лукин. — «Но это питает широкую картину, поскольку фотоны остаются наилучшим способом передачи квантовой информации. Проблемой было то, что фотоны не взаимодействуют друг с другом».

Чтобы построить квантовый компьютер, исследователям нужно создать систему, которая может сохранять квантовую информацию и использовать ее в процессе квантовых логических операций. Но квантовая логика требует взаимодействия между отдельными квантами.

«Наш эксперимент показал, что такой процесс возможен. Перед тем, как сделать полезный и практичный квантовый переключатель или фотонную логическую плату, нам нужно улучшить производительность, поэтому все еще на стадии разработки, но это важный шаг. Важны установленные нами физические принципы».

Систему можно использовать даже в классических компьютерных вычислениях, учитывая проблемы с рассеянием энергии, с которыми сталкиваются производители чипов. Ряд компаний, в том числе IBM, разработали собственные системы, которые полагаются на оптические маршрутизаторы, которые преобразуют световые сигналы в электрические, однако у этих систем есть свои проблемы.

Лукин также предположил, что в один прекрасный день систему можно будет использовать для создания сложных трехмерные структур — например, кристаллов — полностью из света. А что, кристаллы времени уже в процессе создания.

«Как это пригодится нам, пока не знаю. Но это новое состояние вещества, поэтому мы можем надеяться на то, что ему найдется применение по мере исследования свойств фотонных молекул».

Ученые создали доселе невиданную форму материи

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

7 комментариев

  1. Erfinder

    Было бы здорово сделать инструментрон из Mass Effect))

  2. MITKA

    Вот как они управляют ОТДЕЛЬНЫМИ фотонами? О_о

  3. alexsobol

    СВЕТОВОЙ МЕЧ

  4. ...

    Как всегда, хотели найти пару ответов, но получили пару десятков вопросов ))

  5. AlexandrRnD

    Классно

  6. Alec

    Где можно сделать предзаказ на меч? А какая версия Андроида на нем будет стоять ?))

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.