Физики впервые "столкнули" лучи света при комнатной температуре

Подобные световоды можно использовать уже сейчас для создания высококачественных источников одиночных фотонов.
Иллюстрация Massachusetts Institute of Technology.

Физики из Массачусетского технологического института (США) впервые заставили единичные частицы света (фотоны) взаимодействовать между собой при комнатной температуре. Это исследование открывает дорогу для создания сверхбыстрых обычных компьютеров и их больших квантовых собратьев.

"Все предыдущие попытки столкнуть частицы света между собой требовали охлаждения атомов или похожих на них структур до температур, близких к абсолютному нулю, и работали для фотонов в очень узком диапазоне частот. Разработка методики, позволяющей делать это при комнатной температуре и при нормальных условиях, была идеей-фикс для нас", — рассказывает в пресс-релизе ведущий автор исследования профессор Дирк Энглунд (Dirk Englund).

По его словам, создание световых компьютеров и их квантовых аналогов сегодня замедляется тем, что пока у физиков нет способов заставить главный "носитель информации" в подобных вычислительных приборах – фотоны, частицы света, взаимодействовать между собой, не используя при этом материю в виде электронов или ионов в качестве "посредников".

Фотоны, как может убедиться любой человек, скрестив лучи двух фонариков, фактически не взаимодействуют друг с другом и пролетают другие частицы света, не сталкиваясь с ними и не меняя траекторию их движения. Как показывают теоретические расчёты и последние опыты, фотоны начинают влиять друг на друга только в экстремальных условиях, к примеру, при столкновении лучей мощнейших лазеров или внутри "кольца" Большого адронного коллайдера.

Относительно недавно учёные обнаружили, что подобные условия можно создать в окрестностях определённых атомов щелочных и редкоземельных металлов, охлажденных до сверхнизких температур. Это открытие заставило Энглунда и его коллег задуматься, можно ли создать схожие условия и при нормальной комнатной температуре, сообщает РИА Новости.

Проанализировав итоги других экспериментов, физики из MIT пришли к выводу, что фотоны начинали взаимодействовать друг с другом в том случае, если они находились внутри мощного электрического поля. Они попытались воспроизвести эти условия, создав особый световод из кремния, содержащий в себе множество отверстий разной ширины.

Эти отверстия соединены друг с другом каналом, который сужается к центру световода, и в середине этого канала установлены две иглы, разделённые очень узким проходом. Отверстия и иглы играют разные роли: первые поглощают частицы света и не дают им покинуть световод, а иглы концентрируют их электрическое поле. Благодаря этому в проходе между иглами создаются условия, подобные тем, которые есть внутри БАК или в окрестностях атома.

Благодаря этому частицы света, которые будут проходить через это отверстие, будут очень сильно влиять друг на друга. К примеру, как показывают первые опыты Энглунда и его коллег, одиночные фотоны могут проходить через "дыру" в световоде, а пары частиц будут сталкиваться друг с другом и отскакивать в противоположных направлениях при сближении с иглами.

Как отмечают учёные, подобные световоды можно использовать уже сейчас для создания высококачественных источников одиночных фотонов, а в будущем они станут основой для световых или квантовых транзисторов и других элементов вычислительных схем.

Подробнее исследование описывается в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Добавим, что ранее учёные обнаружили странную особенность фотонов, которая нарушает предыдущие представления об одном из базовых принципов квантовой физики. 

Сегодня