"A maioria das propriedades da luz que sabemos sobre a origem do fato de que os fótons têm massa, e que eles não interagem uns com os outros ", disse Harvard Professor de Física Mikhail Lukin. "O que temos feito é criar um tipo especial de meio em que os fótons interagem uns com os outros tão fortemente que eles começam a agir como se tivessem massa, e eles se unem para formar moléculas. Este tipo de estado ligado fotônico foi discutido teoricamente por um bom tempo, mas até agora não tinha sido observado.
Harvard e MIT, os cientistas estão a desafiar a sabedoria convencional sobre a luz, e não precisa ir a uma galáxia muito, muito longe de fazê-lo. Trabalhando com colegas da Harvard-MIT Center for ultracold átomos , um grupo liderado por Lukin e MIT Professor de Física Vladan Vuletic conseguiram persuadir fótons em que une a moléculas de formulário - um estado da matéria que, até recentemente, tinha sido puramente teórico.
A descoberta, disse Lukin, contraria décadas de sabedoria aceita sobre a natureza da luz. Fótons têm sido descritos como partículas sem massa que não interagem uns com os outros - brilhar doisfeixes de laser para o outro, ele disse, e eles simplesmente passam por um outro.
"Moléculas fotônicos", no entanto, se comportar menos como lasers tradicionais e mais como algo que você pode encontrar na ficção científica - o sabre de luz.
"Não é uma analogia in-apt para comparar isso com sabres de luz," Lukin acrescentou. "Quando esses fótons interagem uns com os outros, eles estão empurrando e desviar uns dos outros. A física do que está acontecendo nessas moléculas é semelhante ao que vemos nos filmes."
Para obter os fótons normalmente sem massa para ligar um ao outro, Lukin e seus colegas, incluindo Harvard pós-doutoramento colega Ofer Fisterberg, ex-estudante de Harvard doutorado Alexey Gorshkov e estudantes de pós-graduação MIT Thibault Peyronel e Qiu Liang não poderia confiar em algo como a força - que, em vez ligado a um conjunto de condições mais extremas.
Os investigadores começaram por átomos de rubídio bombeado para uma câmara de vácuo, e depois usou lasers para esfriar a nuvem de átomos de apenas alguns graus acima do zero absoluto.Utilizando pulsos de laser extremamente fracos, eles então despedido fótons individuais para a nuvem de átomos.
Como os fótons entrar na nuvem de átomos frios, disse Lukin, sua energia excita os átomos ao longo de seu caminho, fazendo com que o fóton para diminuir drasticamente. Como os movimentos de fótons através da nuvem, que a energia é entregue a partir de um átomo para outro, e, finalmente, sai da nuvem com o fóton.
"Quando os fótons sai do meio, sua identidade é preservada", disse Lukin. "É o mesmo efeito que vemos com refração da luz em um copo de água. A luz entra na água, ele entrega de parte de sua energia para o meio, e dentro dele existe como a luz ea matéria acopladas, mas quando ele sai, é . ainda iluminam o processo que ocorre é o mesmo que é apenas um pouco mais extremo - a luz é diminuído consideravelmente, e muito mais energia do que é dado afastado durante refração ".
Quando Lukin e seus colegas dispararam dois fótons para a nuvem, eles ficaram surpresos ao vê-los sair juntos, como uma única molécula.
Um efeito chamado de um bloqueio Rydberg, disse Lukin, que diz que quando um átomo é animado, átomos próximos não pode ser animado com a mesma intensidade. Na prática, o efeito significa que a partir de dois fotões entrar na nuvem atómica, o primeiro excita um átomo, mas tem de se mover para a frente antes de o segundo fotão pode excitar átomos próximos.
O resultado, segundo ele, é que os dois fótons puxar e empurrar uns aos outros através da nuvem, como a energia é transferida de um átomo para outro.
"É uma interação fotônico que é mediada pela interação atômica", disse Lukin. "Isso faz com que esses dois fótons se comportar como uma molécula, e quando sair do meio que eles estão muito mais propensos a fazê-lo juntos do que como fótons individuais."
"Nós fazemos isso por diversão, e porque estamos empurrando as fronteiras da ciência," Lukin acrescentou. "Mas isso alimenta a foto maior do que estamos fazendo, porque os fótons continuam a ser os melhores meios possíveis para levar a informação quântica. A desvantagem, porém, foi que os fótons não interagem uns com os outros."
Para construir um computador quântico, ele explicou, os pesquisadores precisam construir um sistema que pode preservar a informação quântica, e processá-lo usando operações lógicas quânticas. O desafio, contudo, é que a lógica quântica requer interacções entre os quanta individual, de modo que os sistemas quânticos pode ser comutada para executar o processamento de informação.
"O que nós demonstramos com este processo nos permite fazer isso", disse Lukin. "Antes de fazer, um switch quântico prático útil ou lógica fotônico portão que temos de melhorar o desempenho, por isso ainda está no nível de prova de conceito, mas este é um passo importante. os princípios físicos que temos aqui estabelecidas são importantes ".
O sistema pode até ser útil na computação clássica, disse Lukin, considerando o poder de dissipação desafia os fabricantes de chips enfrentam agora. Um número de companhias - incluindo IBM - têm trabalhado para desenvolver sistemas que dependem de roteadores ópticos que convertem os sinais de luz em sinais elétricos, mas esses sistemas de enfrentar seus próprios obstáculos.
Lukin também sugeriu que o sistema poderia um dia ser usado até mesmo para criar estruturas tridimensionais complexas - tais como cristais - totalmente fora da luz.
"O que vai ser útil para nós não sabemos ainda, mas é um novo estado da matéria, por isso estamos esperançosos de que novas aplicações podem surgir à medida que continuamos a investigar as propriedades dessas moléculas fotônicas", disse ele.
O trabalho é descrito em um documento de 25 de setembro, em Nature.
O Galaxy diário via Universidade de Harvard e da Natureza
Créditos de imagem: Com agradecimentos aos Arcchaeopteryx
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