Ученые создали доселе невиданную форму материи

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?

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».