Ученые сделали вещество из... света!

Создать вещество из электронов, протонов и нейтронов не так-то и сложно — нужно добиться того, чтобы они "сложились" в атомы, из которых потом уже следует делать молекулы, основу любого вещества. Но вот можно ли сотворить вещество из света, который, как мы помним, состоит из фотонов? Недавно американские ученые выяснили, что такое вполне возможно.

Фото:

Я думаю, многие из тех, кто смотрел известную космическую сагу Джорджа Лукаса "Звездные войны", испытывали недоумение, когда видели, как герои этой эпопеи начинают сражаться друг с другом на световых мечах. Действительно, почему во время удара одного фотонного клинка о другой они ведут себя как обычные мечи, а не свободно проходят друг сквозь друга? Ведь, как знают все, кто посещал в школе уроки физики, фотон не обладает массой — в отличие от тех же электронов, протонов и нейтронов. А значит, поток света не может никак задержать аналогичный луч, при встрече друг с другом фотоны просто интерферируют и все.

Именно поэтому долгое время ученые считали, что эти частицы невозможно объединить в структуры, аналогичные атомам и молекулам — не обладая ни зарядом, ни массой, фотоны просто не смогут никак "склеиться" во что-то подобное. Однако недавно физики из США, среди которых был Михаил Лукин из Гарвардского университета и Владан Вулетич из Массачусетского технологического института, смогли создать оригинальную молекулу из фотонов.

Для того, чтобы создать подобную структуру, исследователи сначала сформировали условия, при которых фотоны смогли бы достаточно сильно взаимодействовать друг с другом. Они поместили атомы рубидия в вакуумную камеру, где они охлаждались до температуры в несколько кельвинов — почти до абсолютного нуля. Затем слабыми лазерными импульсами в облачко этих атомов "забрасывали" отдельные фотоны. В результате ученые увидели, что последние, сталкиваясь с холодными атомами, отдавали почти всю энергию. Совершенно очевидно, что фотоны после этого резко замедляли свое движение.

А вот дальше начиналось самое интересное — по мере продвижения фотона через облако рубидиевых атомов его энергия передавалась как бы параллельно ему самому. То есть она сначала "кочевала" от атома к атому в том же направлении, в котором шел и фотон, а в конце вообще покидало облачко с тем же самым фотоном.

Таким образом, последний на выходе двигался с той же скоростью, что и на входе. В принципе, ничего необычного в таком поведении частицы нет — как известно, у фотонов, входящих с лучом света в стакан с водой, тоже "забирается" часть энергии, которая "возвращается" им без остатка на выходе (возникает аналогия с изъятием огнестрельного оружия перед входом, например, в ночной клуб в США и выдачей его посетителю, когда он покидает заведение). Разница лишь в том, что среда из предельно холодных рубидиевых атомов отбирает у фотонов куда больше энергии.

И вот, зарегистрировав этот эффект, ученые поставили любопытный эксперимент — они запустили в облачко холодных атомов одновременно сразу два фотона. В итоге было установлено, что они покинули это облачко вместе, практически как одна "молекула", состоящая из двух атомов. Но почему же это произошло? Исследователи утверждают, что в данной ситуации сработал механизм, носящий название "ридберговской блокады". Суть его заключается в следующем — когда один атом приходит в возбуждение, то его "собрат", являющийся ближайшим к нему, не может возбудиться до той же степени.

В результате такой блокады, по мнению ученых, произошло следующее — когда один фотон вошел в облачко, то он передал свою энергию ближайшему атому, который возбудился. Но сам фотон при этом продвинулся вперед еще до того, как его "коллега" возбудил второй атом. Но второй фотон, летящий рядом, не сможет сделать возбуждение своего атома большим, как это сделал первый — из-за той самой ридберговской блокады, поэтому он постоянно будет идти "в хвосте" своего "напарника". А поскольку энергия первого фотона передается от атома к атому, словно в эстафете, то он и его отстающий "собрат" будут все время двигаться вместе, то есть пребывая при этом в тесном взаимодействии.

"Это фотонное взаимодействие, которое реализуется с помощью атомного. Оно заставляет пару фотонов вести себя подобно молекуле, и затем, когда они покидают область холодных атомов, куда вероятнее, что они сделают это вместе, а не в виде отдельных частиц", — говорит ведущий автор исследования профессор Михаил Лукин. При этом ученый добавил, что, к великому огорчению поклонников "Звездный войн", сделать таким образом что-то вроде джедайского меча не получится:"Аналогия со световыми мечами не будет неуместной, поскольку когда такие фотоны взаимодействуют, они отталкиваются, оказывая сопротивление друг другу. Физика происходящего с подобными фотонными молекулами скорее сходна с той, которую мы наблюдаем в кино".

Однако, каким же образом можно использовать такую необычную фотонную "молекулу"? Исследователи считают, что, поскольку фотоны считаются лучшим средством передачи квантовой информации, идеально подходящим для реализации квантовых компьютеров, их взаимодействие может вызвать то самое состояние запутывания, которое разработчикам этой машины будущего долго не удавалось реализовать на практике. Ведь основной помехой на пути к этому было то, что фотоны не взаимодействуют друг с другом, а одиночные кванты компьютер не смог бы эффективно обрабатывать. И хотя, конечно же, о создании логического затвора для квантового компьютера говорить пока рано, однако исследование Лукина, Вулетича и их коллег показало, что добиться этого на практике уже вполне возможно…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"