Вперше вчені змусили фотони об’єднатися в молекулярні групи по троє. У цьому цілком новому стані світла фотони поводяться так, ніби мають меншу масу і летять у 10 000 разів повільніше, ніж зазвичай, інформують учені в журналі «Science». Прийняте уявлення про фотонів як одинаків, що ніколи не поєднуються, тепер вважають цілком спростованим.
Так можна уявити взаємодію фотонів: якби світло від ліхтариків відхиляло одне одного. Зображення: Christine Daniloff/ MIT.
Коли два промені світла перехрещуються, зазвичай нічого не відбувається. Обидва промені ні не відхиляються, ні не гаснуть, і в жоден інший спосіб не впливають один на одного. Причина: на відміну від матеріальних частинок, фотони позбавлені маси і не взаємодіють між собою. Вони, так би мовити, закоренілі самітники – принаймні згідно з поширеною теорією.
Проте кілька років тому науковці на чолі з Владаном Вулетічем (Vladan Vuletic) з Массачусетського технологічного інституту виявили, що фотони можна довести до неможливо для них стану: якщо слабкий лазерний промінь направити через хмару надхолодних атомів рубідію, то деякі з фотонів на іншому кінці виходять попарно. При цьому фотони поводяться так, ніби пов’язані один з одним – як в молекулі.
«Аналогія, що сюди би пасувала, – лазерні мечі з науково-фантастичних фільмів, – пояснив Вулетіч. – Коли ці фотони між собою інтегруються, штовхають один одного та гасять».
При цьому виникає питання: чи можуть світлові частинки попарно поєднуватися щоразу, чи можна їх об’єднати в більші «молекули»? Власне це тепер з’ясували Вулетіч та його колега. В експерименті вони знову використали хмару ультрахолодних і тому практично непорушних атомів рубідію. Крізь цю атомну хмарку вчені пропустили слабкий лазерний промінь, через який у неї потрапляло за раз лише кілька фотонів.
При цьому науковці фіксували не лише політ фотонів, а й їхні фази до і після проходження через хмару. Так можна було точніше, ніж будь-коли, відповісти на питання, чи взаємодіють фотони, і якщо так, то зі скількома світловими частинками. Адже, як пояснили, це можна визначити, якщо вирахувати відповідний зсув фаз.
І виявилося: не випадково фотони виходять з атомної хмари поділені. Натомість вони утворюють групи по два або три. Зсув фаз у групи з трьох частинок був утричі більшим, ніж в попарних поєднаннях. «Це означає, що фотони у більших групах не лише інтегруються з другою частинкою, а й всі троє взаємодіють один з одним», – пояснив співавтор Адітя Венкатрамані (Aditya Venkatramani) з Гарвардського університету.
Так учені створили ще один дотепер невідомий стан світла: світло з потрійною фотоновою «молекулою». В такому стані фотони реагують так ліниво, ніби їхня маса стала меншою, а швидкість зменшилася в порівнянні з нормальною: групи по троє приблизно у 10 000 разів повільніші, повідомили вчені.
Проте як виникають такі світлові молекули? Фізики припустили, що в атомній хмарі відбувається особлива взаємодія фотонів та атомів. Якщо вони починають контактувати, атом збуджується та утворює з фотоном поляритон – квазічастинку, що енергетично поводиться як гібрид. Якщо два або три фотони утворять такий поляритон, їхні атомні компоненти вступають у взаємодію і ніби стягують фотони, які до них причепилися.
Так виникає об’єднання між фотонами, пояснили вчені. Воно зберігається навіть тоді, коли фотони залишають атомну хмару, й атомний компонент поляритону залишається позаду. «Захоплює те, що фотони «пам’ятають» про те, що відбулося в хмарі, – сказав колега Вулетіча Сергіо Канту (Sergio Cantu). Через це, навіть покинувши атомну хмару, світлові частинки залишаються з’єднані одна з одною. Фотонічні димери та тримери наділені хвильовими функціями, які залежать від кількості поєднаних фотонів і зберігають їхню форму, кажуть фізики.
В майбутньому нова форма світла може дуже пригодитися, пояснюють учені. Адже світлова «молекула» пропонує нові можливості у кодуванні квантової інформації. Також завдяки їм можна здійснювати ультрашвидкі, складні квантові обрахунки. Чи завдяки цьому світлові можна буде колись створити лазерний меч, як у Зоряних війнах, залишається під питанням.
Тепер фізики хочуть дослідити, чи світло можна стимулювати до інших форм взаємодії – наприклад, до взаємного відштовхування. «Це все – цілком нове, і ми зовсім не знаємо, чого очікувати, – сказав Вулетіч. – Чи відштовхнені фотони утворюють якусь регулярну схему? Чи відбувається щось цілком нове? Це направду terra incognita».
Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts
Massachusetts Institute of Technology, 16/02/2018
Зреферувала Соломія Кривенко
18.02.2018