FotoniO echipă de cercetători condusă de profesorul de fizică Mikhail Lukin, din cadrul Harvard University şi profesorul de fizică Vladan Vuletic, din cadrul Massachusetts Institute of Technology (MIT), ce a colaborat cu colegii lor din partea Center for Ultracold Atoms al Harvard-MIT, a reuşit să manipuleze fotoni pentru a forma molecule, ceea ce reprezintă o formă de materie care, până în prezent, exista doar la nivel teoretic.

 

 

Activitatea cercetătorilor este descrisă într-o lucrare publicată în revista Nature din data de 25 septembrie.

 

Fotoni

Fotoni între care se manifestă o puternică atracţie mutuală, într-un mediu cuantic neliniar.

 

Descoperirea noastră, declară Lukin, contrazice teoriile actuale cu privire la natura luminii şi care sunt acceptate de zeci de ani. Fotonii au fost, de mult timp, descrişi ca fiind particule lipsite de masă şi care nu interacţionează unii cu alţii. Ei strălucesc ca două fascicule de laser aflate unul lângă altul, a spus el, şi care, pur şi simplu, pot să treacă unul prin altul.

Cu toate acestea, „moleculele fotonice" pe care le-am identificat se comportă mai puţin ca laserele obişnuite şi mai mult ca ceva ce s-ar putea găsi, mai degrabă, în săbiile de lumină din domeniul science-fiction.

„Cele mai multe dintre proprietăţile luminii pe care le ştim provin din faptul că fotonii sunt consideraţi ca fiind lipsiţi de masă şi că ei nu interacţionează unii cu alţii", a spus Lukin. „Noi am creat un tip special de mediu în care fotonii interacţionează, unii cu alţii, atât de puternic, încât ei încep să acţioneze ca şi cum ar avea masă şi se unesc împreună pentru a forma molecule. Acest tip de legătură fotonică a fost analizată la nivel teoretic într-o anumită perioadă, dar până acum acest fenomen nu a fost observat.

„Nu este o analogie nepotrivită să comparăm acest fenomen cu săbiile de lumină", a adăugat Lutkin. „Atunci când aceşti fotoni interacţionează unii cu alţii, ei se resping şi se deviază reciproc. Procesele fizice ce au loc în aceste molecule fotonice sunt similare cu ceea ce vedem în filme".

Pentru ca fotonii obişnuiţi, lipsiţi de masă, să se unească unii de alţii, Lukin şi colegii săi, din care au făcut parte inclusiv Ofer Fisterberg, postdoctorand în cadrul Harvard University, doctorand Alexey Gorshkov, din partea Harvard University şi absolvenţii Thibault Peyronel şi Qiu Liang din partea MIT, au fost nevoiţi să creeze o serie de mai multe condiţii extreme care să permită apariţia acestui fenomen.

Cercetătorii au început prin a pompa atomi de rubidiu într-o cameră de vid, apoi au utilizat lasere pentru a răci norul de atomi până la o temperatură de doar câteva grade peste zero absolut. Folosind pulsuri laser extrem de slabe, ei au trimis apoi fotoni în norul de atomi creat anterior.

Pe măsură ce fotonii intrau în norul de atomi reci, declară Lukin, energia lor excita atomii de-a lungul direcţiei lor de propagare, determinând o încetinire pronunţată a fotonilor. În timpul deplasării fotonului prin norul de atomi, energia acestuia este transferată de la un atom la alt atom şi în cele din urmă fotonul iese din nor.

„Atunci când fotonul iese din mediu, identitatea sa este păstrată", a spus Lukin. „Este acelaşi efect pe care îl observăm în cazul refracţiei luminii într-un pahar de apă. Lumina intră în apă, ea pierde o parte din energia sa în mediul în care se propagă, în interiorul acestui mediu există o legătură între lumină şi materie, dar atunci când ea iese din mediu este tot lumină. Procesul care are loc în cazul nostru este similar, dar el are loc în condiţii mai extreme, lumina este încetinită foarte mult şi energia ei este transferată mult mai departe decât în cazul fenomenului de refracţie".

Când Lukin şi colegii săi au introdus doi fotoni în norul de atomi, ei au fost surprinşi să constate că aceştia au ieşit împreună, sub forma unei singure molecule.

Din ce motiv fotonii au format o moleculă ce nu a mai fost observată anterior?

Un efect numit blocada Rydberg, afirmă Lukin, stabileşte că atunci când un atom este excitat, atomii din jurul acestuia nu pot fi excitaţi în aceeaşi măsură. În practică, efectul înseamnă că dacă doi fotoni intră în norul atomic, primul dintre ei excită un atom, dar el trebuie să se deplaseze mai departe astfel încât al doilea foton să poată excita atomii din apropiere.

Rezultatul acestui proces, a spus Lutkin, este că cei doi fotoni se împing şi se atrag reciproc prin nor, în timp ce energia lor este transferată de la un atom la altul.

„Este o interacţiune fotonică care este mediată de interacţiunea atomică", a spus Lukin. „Aceste procese sunt cele care determină ca cei doi fotoni să se comporte ca o moleculă şi atunci când ei ies din mediu să fie mult mai probabil să iasă împreună decât să iasă sub forma fotonilor individuali".

Deşi acest efect este neobişnuit, el poate avea unele aplicaţii practice.

„Noi efectuăm aceste cercetări pentru amuzament, dar şi pentru că ele ne împing către frontierele ştiinţei", a spus Lukin. „Totodată ele completează o imagine de ansamblu a ceea ce studiem, pentru că prin intermediul fotonilor se pot transfera cel mai uşor informaţiile de natura cuantică. În vederea realizării acestui scop, o dificultate a fost reprezentată de faptul că fotonii nu interacţionează unii cu alţii".

Pentru a construi un computer cuantic, a explicat el, cercetătorii au nevoie de a realiza un sistem care să poată păstra intactă informaţia cuantică şi de a prelucra această informaţie folosind operaţii de logică cuantică. Dificultatea este că logica cuantică necesită existenţa unor interacţiuni între cuantele individuale, pentru ca sistemele cuantice să poată efectua prelucrarea informaţiei.

„Ceea ce am demonstrat prin cercetarea noastră ne permite să obţinem interacţiunile dintre cuantele individuale", a spus Lukin. „Înainte de a realiza în practică un comutator cuantic sau o poartă logică fotonică, noi trebuie să îmbunătăţim performanţa acestei metode. Ea este încă la un nivel de concept, dar ceea ce am realizat până acum reprezintă un important pas înainte. Principiile fizice pe care le-am identificat cu această ocazie sunt importante".

Metoda ar putea fi utilă chiar şi în cazul sistemelor de calcul obişnuite, afirmă Lukin, având în vedere consumul de energie cu care se confruntă producătorii de cipuri electronice. Un număr de companii, inclusiv IBM, au încercat să dezvolte sisteme care se bazează pe routere optice care transformă semnalele de lumină în semnale electrice, dar şi aceste sisteme se confruntă cu propriile lor dificultăţi de implementare.

Lukin a sugerat, de asemenea, că metoda propusă de ei ar putea fi utilizată chiar şi pentru a crea structuri complexe tridimensionale, cum ar fi cristale, compuse în totalitate din lumină.

„Pentru ce ar putea fi ea utilă noi nu ştim încă, dar este vorba despre o nouă formă de materie, astfel încât avem speranţa că aplicaţii noi ale acesteia pot apărea în viitor, aşa încât noi vom continua să cercetăm proprietăţile acestor molecule fotonice", a spus el.



Traducere de Cristian-George Podariu după scientists-never-before-seen cu acordul editorului

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.