Reklame
nauka

Fizičari su stvorili novi oblik svetlosti

Istraživači sa MIT-a i Harvarda su izazvali interakciju grupa od po tri fotona.

pisao Daniel Oberhaus
08 Mart 2018, 12:09pm

Prvobitno objavljeno na Motherboard.

Uzimajući u obzir sav rad koji je utrošen na stvaranje univerzuma Ratova zvezda, u poređenju s tim, fizički realizam ove franišize nije izazvao veliku pažnju. Možda najkardinalnije kršenje zakona fizike u Ratovima zvezda su čuvene svetlosne sablje kojima vitlaju džedaji. Ovo oružje ne bi trebalo da bude moguće, zato što svetlosne čestice – zvane fotoni – nisu u međusobnoj interakciji kao normalna materija. To je razlog zašto vi i vaši prijatelji ne možete da odigravate neke od epskih duela sabljama uz pomoć par baterijskih lampi. Mislim, mogli biste, ali biste izgledali kao gomila tupadžija.

Istraživanje koje je danas objavio časopis Science uliva ’novu nadu’ (Tako mi je žao) onima koji ne odustaju od svetlosnih sablji. Ekipa fizičara je stvorila novi oblik svetlosti koji dozvoljava da se makar tri fotona vežu zajedno. Ova tehnologija još uvek nije sasvim spremna da pobedi Tamnu stranu, ali mogla bi da bude veliki bum za kvantne računare na bazi fotona.

Dvojica glavnih istraživača na ovom projektu, fizičar sa MIT Vladan Vuletić, i fizičar sa Harvarda Mikail Lukin, predvode zajednički centar MIT-a i Harvarda za istraživanje ultrahladnih atoma, i poslednje dve godine su proveli pokušavajući da nateraju fotone da međusobno reaguju. Prvi veliki uspeh su postigli 2013. godine, kada su ovi istraživači uspeli da vežu dva fotona jedan za drugi i stvore novi oblik svetlosti – ali želeli su da otkriju da li je to bila granica interakcije fotona.

„Molekuli kiseonika mogu da se kombinuju za formiranje O2 i O3, ali ne i O4, a od nekih molekula ne može da se formira čak ni molekul od tri čestice“, kaže Vuletić u izjavi. „Tako da je to bilo otvoreno pitanje: može li se molekulu dodati još fotona, da bi se napravilo nešto veće“?

Većina čestica stiče masu u interakciji sa Higsovim poljem, koje je sveprisutno polje energije. Fotoni, s druge strane, nemaju interakciju sa Higsovim poljem i nemaju masu, zbog čega su dva fotona u mogućnosti da prođu jedan kroz drugoga kao duhovi, ako bismo, na primer, uperili zrake dve baterijske lampe jedan u drugi.

Da bi se ove svetlosne čestice vezale jedna za drugu kao normalna materija, Vuletić i Lukin su napravili eksperimentalno okruženje u kome su puštali laserske zrake kroz neke veoma hladne atome. Konkretno, koristili su oblak atoma rubidijuma ohlađenog na milioniti deo stepena iznad apsolutne nule. To znači da su se atomi ribidijuma u oblaku jedva kretali. Onda su propustili slab laserski zrak kroz izuzetno ohlađeni oblak atoma, da bi samo nekoliko fotona prošlo kroz njega i bilo izmereno na drugom kraju aparature.

Ono što su otkrili je da su fotoni koji su izašli na drugom kraju bili čvrsto vezani zajedno u grupama od po tri, i da su zapravo stekli veoma malu količinu mase (jednaku samo deliću mase elektrona). Kao rezultat toga, ove trojke fotona su se kretale 100 hiljada puta sporije od brzine normalnog fotona, koji se kreće 300 hiljada kilometara u sekundi.

Ali čekajte, ima još.

Vuletić, Lukin i njihove kolege su razvili teoriju o tome šta je uopšte prouzrokovalo vezivanje ovih fotona. Po tom modelu, fotoni u suštini prelaze sa jednog atoma rubidijuma na drugi. Dok je foton ’na’ atomu rubidijuma, može da stvori hibridini atom fotona zvan polariton. Ako više polaritona nastane u oblaku, mogu da budu u interakciji jedni s drugima preko rubidijumskog elementa u hibridu, dok polaritoni nastavljaju da se kreću kroz oblak rubidijuma. Kada polaritoni stignu do ’ivice’ oblaka, atomi rubidijuma ostaju u oblaku, dok još uvek vezani fotoni izlaze iz njega. Prema istraživačima, čitav ovaj proces odvija se u milionitom delu sekunde.

Ono što je ovde važno je da ovaj proces omogućuje fotonima da budu u interakciji jedni s drugima, što inače nisu u stanju. U suštini se isprepliću, što je svojstvo koje je od integralne važnosti za manipulaciju kubitima u kvantnim napravama. Međutim, trojke fotona koje su stvorili Vuletić i Lukin su poboljšanje u odnosu na druge fotonske kubite, zato što su mnogo snažnije vezani zajedno i kao rezultat toga, bolji su prenosnici informacija.

Uzimajući u obzir visoko eksperimentalnu prirodu Vuletićevog i Lukinovog istraživanja, najverovatnije će proći mnogo vremena pre nego što dođe do bilo kakve njegove praktične primene. Šta više, i sami istraživači kažu da često ne znaju šta da očekuju od nekog eksperimenta. Istraživajući dalje, kažu da im je namera da smisle nove načine da prouzrokuju i druge interakcije između fotona, kao što je njihovo međusobno odbijanje.

„Ovo je potpuna novina, u smislu da ponekad čak ni ne znamo šta da očekujemo, u kvalitativnom smislu“, kaže Vuletić u izjavi. „Kada je reč o odbijanju fotona, pitanje je da li će se formirati postojan obrazac, kao kristal svetlosti, ili će se dogoditi nešto drugo. To je veoma neistražena teritorija“.