Получена абсолютно новая форма материи
Михаил Лукин, профессор физики Гарвардского университета, и его коллега из MIT, Владан Вулетич, представили результаты своей работы в статье, опубликованной в журнале Nature.
Ученым удалось создать среду, в которой фотоны взаимодействуют друг с другом так сильно, что начинают вести себя, как частицы, обладающие массой — своего рода молекулы. Такой тип взаимодействия между фотонами уже довольно давно обсуждался теоретически, однако реализовать его в лабораторных условиях удалось впервые.
Это открытие, говорит Лукин, противоречит общепринятым представлениям о природе света, согласно которым безмассовые фотоны не способны взаимодействовать друг с другом: скрестите два лазерных луча, и они просто пройдут один сквозь другой.
Однако «фотонные молекулы» ведут себя не как обычные лазерные лучи, а скорее, как световые мечи из небезызвестной фантастической саги. «Это не самая плохая аналогия, — говорит Лукин. — При взаимодействии фотоны отталкивают, отклоняют друг друга, и физика этого процесса весьма похожа на то, что мы видим в кино».
Чтобы создать для фотонов условия, в которых они будут взаимодействовать друг с другом, ученые поместили облако атомов рубидия в вакуумную камеру, температура в которой была всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Используя чрезвычайно слабые лазерные импульсы, исследователи направляли в облако атомов одиночные фотоны.
Когда фотон входит в облако атомов, его энергия переводит атомы, оказавшиеся на пути, в возбужденное состояние. Движение фотона, попавшего из вакуума в облако атомов, при этом замедляется. В результате фотон, переизлучаемый от атома к атому, покидает облако, оставив его с той же общей энергией, что и до визита фотона.
Что же произойдет, если направить в облако два фотона, которые в обычной среде и «не заметили» бы друг друга? Эксперименты показали, что фотоны выходят из облака атомов рубидия одновременно, как если бы они были массивными частицами, вступившими во взаимодействие.
Существование «фотонных молекул» становится возможным благодаря эффекту блокады ридберговских атомов. Если один из атомов рубидия переходит в возбужденное (ридберговское) состояние, это по ряду причин запрещает соседствующим с ним атомам подобный переход. А значит, второй фотон вынужден «ждать своей очереди», а дождавшись, устремляться на освободившееся пространство. В результате фотоны ведут себя подобно частицам, обладающим массой, которые притягивают и отталкивают друг друга в облаке атомов.
«Это взаимодействие фотонов, происходящее посредством межатомного взаимодействия, — говорит Лукин, — заставляет фотоны вести себя, как молекула, и велика вероятность того, что они покинут облако вместе».
Обнаруженный эффект может быть использован в системах квантовой логики и классических оптических системах. Лукин также предположил, что из «фотонных молекул» однажды удастся сложить трехмерные «световые кристаллы». «Я еще не знаю, какую пользу удастся из этого извлечь», — сказал он. Впрочем, ученый выразил надежду, что по мере изучения свойств «фотонных молекул» им удастся найти применение.
По сообщению PhysOrg