Впервые ученым удалось создать среду, в которой фотоны стали взаимодействовать друг с другом, образуя абсолютно новую форму материи – «фотонные молекулы». Раньше это явление рассматривалось лишь теоретически.
Физики Михаил Лукин и Владан Вулетич провели эксперимент, в результате которого опровергли общепринятое представление о том, что безмассовые фотоны не способны взаимодействовать друг с другом.
– Большинство известных нам свойств света обусловлены тем, что фотоны не имеют массы и не взаимодействуют друг с другом. Но нам удалось создать среду особого типа, в которой фотоны взаимодействуют настолько сильно, что начинают вести себя так, как если бы имели массу, и связываются друг с другом, образуя молекулы. Этот тип связанного состояния фотонов уже довольно давно обсуждается теоретически, но до сих пор его не удавалось наблюдать, – говорит Лукин.
Чтобы заставить фотоны взаимодействовать, образовывая подобие молекулы, ученые поместили облако атомов рубидия в вакуумную камеру, температура в которой была на несколько градусов выше нуля. Затем, при помощи очень слабых лазерных импульсов, в облако атомов направляли одиночные фотоны.
– Когда фотон попадает в облако холодных атомов, его энергия приводит атомы, которые «встретились ему на пути», в состояние возбуждения, что резко замедляет движение фотона. По мере того, как он движется сквозь облако, его энергия переходит от атома к атому и в конце концов выходит из облака вместе с фотоном. Когда фотон выходит из этой среды, его идентичность сохраняется. Это тот же эффект, который мы наблюдаем при преломлении света в стакане воды. Свет входит в воду, передает часть своей энергии среде и существует внутри нее одновременно как свет и вещество. Но выйдя из воды, он по-прежнему остается светом. В проведенном эксперименте с фотонами происходит примерно то же, только в более высокой степени: свет существенно замедляется и передает среде больше энергии, чем при рефракции, – рассказывает Лукин.
Направив в облако два фотона, которые в обычной среде и «не заметили» бы друг друга, ученые обнаружили, что выходят они вместе, как единая молекула.
– Этот эффект называется блокадой Ридберга. Он заключается в том, что когда атом находится в возбужденном состоянии, ближние к нему атомы не могут быть возбуждены до той же степени. Практически это значит, что когда в атомное облако входят два фотона, первый возбуждает какой-либо атом, но должен продвинуться вперед прежде, чем второй фотон приведет в возбуждение соседний. По мере того, как энергия двух фотонов переходит от атома к атому, они как бы тянут и толкают друг друга сквозь атомное облако. Фотонное взаимодействие обусловлено атомным взаимодействием. Оно заставляет два фотона вести себя подобно молекуле, и среду они с высокой вероятностью покинут вместе, как один фотон, – объяснил Лукин.
Этот эффект можно использовать как в классических оптических системах, так и в системах квантовой логики. Кроме того, Лукин предполагает, что из «фотонных молекул» однажды удастся сложить трехмерные «световые кристаллы».
