Экспериментально получено новое состояние материи — фотонные молекулы

Работая вместе с коллегами в объединенном центре Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms, группа, возглавляемая профессором физики Гарварда Михаилом Лукиным и профессором физики MIT Владаном Вулетичем (Vladan Vuletic), смогла заставить фотоны объединиться с образованием подобия молекул. До последнего времени возможность такого состояния материи рассматривалась исключительно гипотетически.

Это открытие, о котором рассказывается 25 сентября в журнале Nature, вступает в противоречие со складывавшимися десятилетиями воззрениями на природу света. В соответствии с ними, фотоны описывались, как лишенные массы покоя частицы, не взаимодействующие между собой.

«Мы создали специальную среду, где фотоны вступают во взаимодействие столь сильно, что начинают вести себя так, как будто обладают массой и сцепляются вместе, формируя молекулы», — заявил Лукин.

Чтобы осуществить это, исследователи закачивали атомы рубидия в вакуумную камеру и охлаждали их лазерами до температур всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Затем, используя очень слабые лазерные импульсы, они направляли в это облако атомов одиночные фотоны.

При вхождении фотона в облако он замедлялся, его энергия возбуждала атомы и передавалась между ними пока не выходила из облака снова в виде фотона.

Но запустив в облако два фотона, Лукин и его коллеги, к своему удивлению, получили на выходе вместо отдельных фотонов двухчастичную «молекулу». Обусловивший это экстраординарное явление эффект носит название «Ридберговской блокады». При возбуждении фотоном одного атома в сверхохлажденном облаке он блокирует все атомы в его окрестности, препятствуя поглощению ими энергии от других фотонов.

В результате, фотоны как бы проталкивали друг друга в облаке, по мере того как энергия одного, переходя от атома к атому, освобождала место для другого. «Это взаимодействие фотонов, реализуемое посредством межатомного взаимодействия, — комментирует Лукин. — Оно заставляет эти два фотона вести себя подобно молекуле, и, покидая среду,они, наиболее вероятно, сделают это вместе, а не как одиночные фотоны».

При всей необычности открытого явления, оно имеет вполне очевидное прикладное значение. Фотоны остаются наилучшим средством переноса квантовой информации, но квантовый компьютер должен осуществлять с такими данными логические операции. Возможность взаимодействия между квантами света значительно упростит их реализацию.

«Чтобы сделать полезный и практичный квантовый коммутатор или фотонный логический вентиль потребуется улучшить производительность. Мы все еще находимся на этапе подтверждения концепции, но, тем не менее, это важный шаг», — говорит Лукин. Он считает, что подобная система может оказаться полезной даже в классических компьютерах, где способна помочь бороться с проблемой потерь энергии в виде тепла.