Впервые ученые заставили фотоны объединиться в молекулярные группы по трое. В этом совершенно новом состоянии света фотоны ведут себя так, будто имеют меньшую массу и летят в 10 000 раз медленнее, чем обычно, информируют ученые в журнале «Science».
Принятое представление о фотонах как одиночках, которые никогда не сочетаются, теперь считают вполне опровергнутой.
Когда два луча света пересекаются, обычно ничего не происходит. Оба луча не отклоняются, не гаснут, и ни в один другой способ не влияют друг на друга. Причина: в отличие от материальных частиц, фотоны лишены массы и не взаимодействуют между собой. Они, так сказать, закоренелые отшельники – по крайней мере в соответствии с распространенной теорией.
Однако несколько лет назад ученые во главе с Владаном Вулетичем (Vladan Vuletic) из Массачусетского технологического института обнаружили, что фотоны можно довести до невозможного для них состояния: если слабый лазерный луч направить через облако сверхолодных атомов рубидия, то некоторые из фотонов на другом конце выходят попарно. При этом фотоны ведут себя так, будто связанные друг с другом – как в молекуле.
«Аналогия, что сюда бы подходило, – лазерные мечи из научно-фантастических фильмов, – пояснил Вулетич. – Когда эти фотоны между собой интегрируются, толкают друг друга и гасят».
При этом возникает вопрос: могут ли световые частицы попарно объединяться каждый раз, или можно их объединить в более крупные «молекулы»? Собственно это теперь выяснили Вулетич и его коллеги. В эксперименте они снова использовали ультрахолодное облако из практически незыблемых атомов рубидия. Сквозь это атомную облачко ученые пропустили слабый лазерный луч, через который в него попадало за раз только несколько фотонов.
При этом ученые фиксировали не только полет фотонов, но и их фазы до и после прохождения через облако. Так можно было точнее, чем когда-либо, ответить на вопрос, взаимодействуют ли фотоны, и если да, то со сколькими световыми частицами. Ведь, как объяснили, это можно определить, если вычислить соответствующий сдвиг фаз.
И оказалось: не случайно фотоны выходят из атомной тучи поделенные. Зато они образуют группы по два или три. Сдвиг фаз в группы из трех частиц в три раза больше, чем в попарных сочетаниях. «Это означает, что фотоны в больших группах не только интегрируются со второй частицей, а и все трое взаимодействуют друг с другом», – пояснил соавтор Адитя Венкатрамани (Aditya Venkatramani) из Гарвардского университета.
Так ученые создали еще одно до сих пор неизвестное состояния света: свет с тройной фотоновою «молекулой». В таком состоянии фотоны реагируют так лениво, будто их масса стала меньше, а скорость уменьшилась в сравнении с нормальной: группы по трое примерно в 10 000 раз медленнее, сообщили ученые.
Однако как возникают такие световые молекулы? Физики предположили, что в атомном облаке происходит особое взаимодействие фотонов и атомов. Если они начинают контактировать, атом возбуждается и образует с фотоном поляритон – квазичастицу, что энергетически ведет себя как гибрид. Если два или три фотона образуют такой поляритон, их атомные компоненты вступают во взаимодействие и будто стягивают фотоны, которые к ним прицепились.
Так возникает объединение между фотонами, объяснили ученые. Оно сохраняется даже тогда, когда фотоны покидают атомное облако, и атомный компонент поляритона остается позади. «Восхищает то, что фотоны «помнят» о том, что произошло в облаке, – сказал коллега Вулетича Сергио Канту (Sergio Cantu). Через это, даже покинув атомное облако, световые частицы остаются соединенными друг с другом. Фотоничные димеры и триммеры обладают волновыми функциями, которые зависят от количества сопряженных фотонов и сохраняют их форму, говорят физики.
В будущем новая форма света может очень пригодиться, объясняют ученые. Ведь световая «молекула» предлагает новые возможности в квантовой кодировке информации. Также благодаря им можно осуществлять ультрабыстрые, сложные квантовые расчеты. Можно ли благодаря этому когда-нибудь создать лазерный меч, как в Звездных войнах, остается под вопросом.
Теперь физики хотят исследовать, может ли свет стимулировать другие формы взаимодействия – например, до взаимного отталкивания. «Это все совершенно новое, и мы совсем не знаем, чего ожидать, – сказал Вулетич. – Образуют ли оттолкнутые фотоны некую регулярную схему? Происходит ли что-то совершенно новое? Это действительно terra incognita».