Тема:

Эксперименты со светом 2 месяца назад

На пути к световому мечу: фотоны объединили, замедлили и обнаружили у них массу

Учёные продемонстрировали новую форму света, частицы которого взаимодействуют между собой.
Иллюстрация Christine Daniloff/MIT.

Сразу после выхода первых фильмов серии "Звёздные войны" среди учёных разгорелся спор, существует ли хотя бы теоретическая возможность создания оружия рыцарей-джедаев – светового меча. И главным доводом критиков этой идеи стал тот факт, что свет состоит из невесомых и очень быстрых фотонов, которые совершенно не взаимодействуют между собой. Поэтому, сколько ни скрещивай два мощных лазерных луча, они пройдут друг через друга без каких-либо взаимодействий.

Но физик Михаил Лукин и его коллеги из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета не теряли надежду когда-нибудь воплотить в реальность объект, которым мечтают обладать многочисленные фанаты киносаги.

В качестве первого шага нужно было заставить фотоны вступать во взаимодействие. И несколько лет назад они впервые доказали, что из частиц света можно построить неизвестный ранее тип материи, объединяя пару фотонов в своеобразные фотонные молекулы. Теперь та же команда учёных продемонстрировала, что "материализоваться" могут группы из трёх фотонов, которые ко всему прочему замедляются и приобретают массу.

"Вы можете объединить два и три атома кислорода в молекулу O2 или O3, но с четырьмя атомами этого сделать не получится. А некоторые химические элементы не образуют молекулы даже из трёх составляющих, – говорит в пресс-релизе ведущий автор нового исследования Владан Вулетич (Vladan Vuletić). – Так что до сих пор оставалось непонятным, можно ли добавлять в молекулу дополнительные фотоны, чтобы делать её больше и больше".

Как и в первых экспериментах физики охладили облако атомов рубидия почти до абсолютного нуля, в результате чего частицы практически замерли на месте (в итоге такое облако действует как единое целое). Когда через облако пропускали луч света, фотоны входили и выходили в него, разделённые случайными временными интервалами. При этом на входе и выходе фотоны были в одинаковом состоянии.

Затем исследователи создали слабый, но имеющий точные характеристики лазерный луч. Он в каждый отдельный момент времени выпускал в облако лишь несколько фотонов. Тут и оказалось, что частицы света выходили из облака группами по два или три фотона. В облаке они будто бы притягивались друг к другу.

Учёные измерили свойства таких "фотонных молекул" на выходе и обнаружили, что они на самом деле приобрели массу. Конечно, она была очень мала и составляла лишь небольшую долю от массы электрона, но и это гигантский прорыв для частиц, которые вообще-то не имеют массы. Столь значительное изменение не могло не сказаться на скорости фотонов, которая стала в сто тысяч раз меньше скорости света.

Исследователи также измерили частоту колебаний фотонов (фазу). Чем она больше, тем сильнее частицы связаны. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Science, фаза трёхфотонных молекул была в три раза больше, чем у парных.

Команда объясняет возможность взаимодействия между фотонами тем, что в момент столкновения с "замёрзшими" атомами рубидия каждый из них превращается в поляритон – квазичастицу, которая является наполовину светом (фотоном), наполовину материей (атомом).

В момент столкновения они приобретают массу (атомная составляющая поляритона). Путешествуя через облако рубидия, фотон движется от атома к атому, словно пчела, садящаяся на цветки. Каждое такое взаимодействие с атомом длится миллионные доли секунды, но иногда могут происходить встречи фотонов, после которых они следуют вместе неразрывно. Покинув облако, они теряют атомную составляющую, но "помнят" о том, что происходило с ними в облаке, оставаясь связанными в пары и триплеты.

Конечно, о создании джедайских мечей из таких групп фотонов речи не идёт (по крайней мере, пока). Но, поскольку связанные фотоны, по сути, являются квантов запутанными, они, вероятно, могут быть использованы в квантовых компьютерах для создания новых способов передачи информации (в облаке происходит своего рода запись состояния, которую можно считать на выходе из него).

Фотоны перемещаются в пространстве очень быстро, преодолевая огромные расстояния за доли секунды. С их помощью информация передаётся уже сегодня, например, по оптоволокну. Если фотоны могут воздействовать друг на друга, а именно это показали американские специалисты, их можно использовать для передачи квантовой информации необычным способом.

Кроме того, учёные надеются в дальнейшем найти и другие формы взаимодействия частиц света. По их словам, если фотоны могут притягиваться, то почему бы не заставить их отталкиваться. Хотя команды MIT и Гарварда, Принстона и Университета Чикаго, сделавшие данное открытие, пока не представляют, как это может выглядеть.

Напомним, что "Звёздные войны" вдохновляют учёных и на другие исследования, такие как создание "живых" голограмм и расчёт "реального" боевого потенциала "Звезды смерти".

Сегодня