Вперше вчені змусили фотони об'єднатися у 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 вчені в журналі «Science». Існуюче
уявлення про фотони як про 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,
затяті самітники - принаймні, згідно з поширеною теорією.
Проте, кілька років тому науковці
на чолі з Владаном Вулетічем (Vladan Vuletic) з Массачусетського технологічного
інституту дослідили, що фотони можна довести до неможливо для них стану: якщо слабкий
лазерний промінь спрямувати 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 у 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 у 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 у 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
порівняно 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.
У майбутньому нова форма світла
може дуже згодитися, пояснюють учені. Адже світлова «молекула» пропонує нові можливості
у кодуванні квантової інформації. Також завдяки їм можна здійснювати ультра-швидкі,
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, що очікувати, - сказав Вулетіч. -
Чи відштовхнені фотони утворюють якусь регулярну схему? Чи відбувається щось цілком
нове? Це - направду terra incognita».
Зреферувала
Соломія Кривенко, «Zbruc»
Джерело:
Massachusetts Institute of Technology, «Scinexx»