Михайло Лукін - професор фізики Гарвардського університету, і Владан Вулетич - його колега з Сербії, професор фізики Массачусетського технологічного інституту, в унікальному експерименті змогли змусити кванти електромагнітного випромінювання зв'язуватися і утворювати цілком новий стан матерії, подібний до молекули.
Їхня робота описана в журналі Nature від 25 вересня 2013 року.
Ймовірність існування такої матерії до теперішнього часу досліджувалася лише теоретично.
Подібна теорія, на думку авторів, суперечить базовим уявленням про природу світла.
Загальноприйнятим є факт, що фотони – це частинки, які не мають маси, і не взаємодіють одна з одною: лазерні промені, спрямовані назустріч один одному, проходять наскрізь один крізь інший.
Вченим вдалося побудувати середовище особливого типу. Вони показали, що в такому середовищі кванти взаємодіють так сильно, що поводяться так, ніби мають масу.
Лукін наводить порівняння зі світловими мечами з космічних фентезі. При взаємодії фотонів вони відштовхуються один від одного і відхиляються убік. Явища, що відбуваються з молекулами, нагадують Лукіну битву джедаїв на світлових мечах у фільмі «Зоряні війни».
Михайло Лукін і його колеги (Офер Фістерберг і Олексій Горшков з Гарварда, Тібо Пейронель і Ці Лян з Массачусетса) створили спеціальні умови середовища, щоб змусити фотони, які в нормі не мають маси, взаємодіяти. Для цього у вакуумну камеру були поміщені атоми рубідію, далі атомна хмаринка охолоджується практично до абсолютного нуля за допомогою лазера. І нарешті, вистрілювали в утворену хмару поодинокими надслабкими лазерними імпульсами.
Основний принцип полягає в тому, що, проходячи крізь хмару холодних атомів, енергія фотона приводить у стан збудження зустрічні атоми, що веде до значного сповільнення руху кванта. Фотон рухається крізь хмаринку, а його енергія передається сусіднім атомам і врешті виходить з хмари разом із квантом, при цьому він зберігає свою ідентичність.
Подібний ефект спостерігається при заломленні світла у склянці з водою. Світло віддає частку своєї енергії середовищу і перебуває всередині нього і як світло, і як речовина. Але після виходу з води воно зберігає свою ідентичність. В експерименті з фотонами ми спостерігаємо цей же принцип: світло значно сповільнюється і передає навколишньому середовищу більше енергії, ніж при рефракції.
В експерименті вчені виявили, що при пострілі в хмару двома квантами вони виходять як одна молекула. Такий ефект називається блокада Рідберга.
Коли атом збуджений, сусідні атоми не можуть бути збуджені до такого ж рівня. Це означає, що коли два кванти входять у хмару, перший збуджує найближчий атом, але, перш ніж другий збудить сусідній, перший фотон повинен просунутися вперед. Інакше кажучи, внаслідок того, що енергія фотонів переходить на сусідні атоми, вони штовхають один одного крізь середовище. Автори роблять висновок: атомна взаємодія зумовлює квантову взаємодію, в результаті, такий ефект змушує фотони поводити себе в середовищі подібно до єдиної молекули і залишати його, як один фотон.
Яке ж практичне застосування цього ефекту?
На сьогодні фотони – провідний засіб для транспортування квантової інформації.
Для створення квантового комп'ютера потрібна система, здатна зберігати і аналізувати квантову інформацію, а для цього необхідно розуміти принцип взаємодії фотонів.
Вченим вдалося довести, що створення квантового перемикача і оператора квантової логіки можливе. Для цього необхідно підвищувати ефективність відкритого процесу, але це лише справа часу. На даний момент це відкриття є зразком принципової ідеї фотонної взаємодії.
Михайло Лукін наводить приклад, що створена система найближчим часом може бути використана для створення тривимірних кристалоподібних структур з фотонів.