Достигнут новый прорыв во взаимодействии света с веществом

Физики из EPFL впервые нашли способ заставить фотоны взаимодействовать с парами атомов. Этот прорыв важен для области квантовой электродинамики резонаторов (полостная КЭД), передовой области, ведущей к квантовым технологиям.

Нет сомнений в том, что мы неуклонно движемся к эре технологий, основанных на квантовой физике. Но чтобы достичь этого, мы сначала должны овладеть способностью заставлять свет взаимодействовать с материей — или, говоря более технически, фотонов с атомами.

В некоторой степени это уже было достигнуто, что дало нам передовую область полостной квантовой электродинамики, которая уже используется в квантовых сетях и квантовой обработке информации. Тем не менее, предстоит еще долгий путь. Современные взаимодействия света и вещества ограничиваются отдельными атомами, что ограничивает способность изучать их в виде сложных систем, задействованных в квантовых технологиях.

В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи из группы Жана-Филиппа Бранту из Школы фундаментальных наук EPFL нашли способ заставить фотоны «смешиваться» с парами атомов при сверхнизких температурах.

Исследователи использовали так называемый Ферми-газ, состояние вещества, состоящего из атомов, которое напоминает состояние электронов в материалах. «В отсутствие фотонов газ можно приготовить в состоянии, когда атомы очень сильно взаимодействуют друг с другом, образуя слабосвязанные пары», — объясняет Жан Бранту. «Когда свет попадает в газ, некоторые из этих пар могут превращаться в химически связанные молекулы, поглощая фотоны».

Ключевой концепцией этого нового эффекта является то, что он происходит «когерентно», что означает, что фотон может быть поглощен, чтобы превратить пару атомов в молекулу, а затем испускаться обратно, а затем повторно поглощаться несколько раз.

 Смотрите также: Почему электроны в атоме не попадают в ядро?

«Это означает, что система пара-фотон формирует новый тип «частицы» — техническое возбуждение, которое мы называем «парно-поляритонным», — говорит Жан Бранту. «Это стало возможным в нашей системе, где фотоны заключены в «оптическую полость» — закрытый ящик, который заставляет их сильно взаимодействовать с атомами».

Гибридные парные поляритоны приобретают некоторые свойства фотонов, а это означает, что их можно измерить оптическими методами. Они также приобретают некоторые свойства ферми-газа, такие как количество пар атомов, которое он имел изначально до приходящих фотонов.

«Некоторые из очень сложных свойств газа переводятся в оптические свойства, которые можно измерить прямым способом, даже без нарушения системы», — говорит Жан Бранту. «Будущее приложение будет в квантовой химии, поскольку мы демонстрируем, что некоторые химические реакции могут быть когерентно произведены с использованием одиночных фотонов».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.