Създадоха хибридни частици – част светлина, част материя

Фотоните – тези базисни частици на светлината – имат множество интересни свойства, включително факта, че те не са склонни да се блъскат един в друг. Това обаче не е попречило на физиците да се опитват да ги сблъскват.

Учени от университета в Чикаго вече са измислили нов, много гъвкав начин да накарат фотоните да се държат повече като частиците, които образуват материя. Това може и да не ни даде светлинни мечове, но да се сблъскват фотони може да доведе до някои фантастични нови технологии.

Идеята е да се накарат частиците светлина, които нямат маса, да се срещат в границите на атома и да комбинират техните свойства с тези на електрона.

Изследователите проучват тези взаимодействия в лаборатория от няколко години. Електронно-фотонните партньорства образуват един вид „хибридна“ квазичастица, наречена поларитон. С подобни на светлината качества, поларитоните се движат бързо през пространството, докато срещите им в атома определят как те взаимодействат, като им дават най-доброто от двата свята – на светлината и на материята.

Малките фотонни частици имат огромен потенциал в изчислителната и криптираната комуникация, така че физиците се стремят по-добре да ги контролират.

„Обаче се сблъскахме с проблем, защото фотоните взаимодействат само с атоми, чиито електрони са с много специфични енергии“, казва физикът от Университета в Чикаго Логан Кларк.

Да бъдеш принуден да използваш електрони само на няколко енергии, силно ограничава спектъра им на приложение.

Кларк вече е търсил начини за манипулиране на сложността на нивата на атомната енергия, като използва квантовата физика, която разделя електронните орбитали на копия, когато им се даде подходящ вид. Орбиталата се определя от състоянието на този електрон около атома, тоест в кой слой, подслой и квантова клетка се намира той. Орбиталата има различна форма и пространствена насоченост за всеки отделен слой, подслой и клетка.

„Винаги сме разглеждали копията като страничен ефект, а не като цел“, казва Кларк. „Но този път ние разтърсихме електроните със специфичното намерение да направим тези копия“.

Да накараш частица да се поклаща само според правилната квантова „мода“, изисква прилагането на инженерството на Флоке, което има своите корени в историята на цялата бъркотия с електромагнитни полета.

Кларк и неговият екип използват лазер, за да тласкат електрони в развълнуван рубидиев атом, правейки ги да се движат по начин, който ефективно променя цветовия спектър на атома.

Обикновено атомите не обичат да сменят ивиците от цветове, които излъчват. Водородът например, излъчва същия спектър на цвят, без значение къде е във Вселената, една функция, която помага да бъде идентифициран далеч в космоса. Това важи и при другите елементи.

Но като изтръгват орбиталите на електроните на рубидия по правилния начин, физиците могат да ги променят. Настройването на лазера по правилния начин, след това им дава тласък, който произвежда редица нови енергийни нива от всеки орбитал.

Тук става въпрос за комбиниране на фотони с клонирани електронни орбитали, работещи на множество нива, създавайки вариация на квазичастицата, която изследователите нарекоха поларитон на Флоке.

Тези хибриди имат свойства на светлината с малко количество маса, осигурено от нейното взаимодействие с електрона. За разлика от другите поларитони, те съществуват в пространство, което може да бъде по-добре персонализирано, което може да бъде контролирано чрез просто модулиране на честотата на тяхната околна среда.

„Поларитоните на Флоке са пълни с изненади; ние все още продължаваме да се мъчим да ги разберем по-добре“, казва Кларк.
„Следващият ни цел ще бъде да използваме тези сблъскващи се фотони, за да направим „топологични течности на светлината“. Това ще е изключително вълнуващо време.“

Използването на инженерството на Флоке почти сигурно ще помогне на квантовите технологии да напреднат, да не говорим за нови начини за изследване на взаимодействията на светлината и материята.

Поларитоните може и да не са твърдите лъчи светлина срещани в научната фантастика, но те определено биха могли да направят бъдещето по-светло.

Това изследване е публикувано в списание Nature Letters.