Probeer een snel experiment:neem twee zaklampen mee naar een donkere kamer en laat ze schijnen zodat hun lichtstralen elkaar kruisen. Merk je iets bijzonders op? Het nogal anticlimax antwoord is:waarschijnlijk niet. Dat komt omdat de individuele fotonen waaruit licht bestaat geen interactie hebben. In plaats daarvan, ze lopen gewoon langs elkaar heen, als onverschillige geesten in de nacht.

Maar wat als lichtdeeltjes kunnen worden gemaakt om te interageren, elkaar aantrekken en afstoten als atomen in gewone materie? Een prikkelende, zij het sci-fi mogelijkheid:lichtsabels - lichtstralen die aan elkaar kunnen trekken en duwen, oogverblindend maken, epische confrontaties. Of, in een waarschijnlijker scenario, twee lichtstralen kunnen elkaar ontmoeten en samensmelten tot één enkele, lichtgevende stroom.

Het lijkt misschien alsof voor dergelijk optisch gedrag de regels van de natuurkunde moeten worden omgebogen, maar eigenlijk, wetenschappers van het MIT, Harvard universiteit, en elders hebben nu aangetoond dat fotonen inderdaad tot interactie kunnen worden gebracht - een prestatie die een weg zou kunnen openen naar het gebruik van fotonen in kwantumcomputers, als het niet in lichte sabels is.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Wetenschap , het team, onder leiding van Vladan Vuletic, de Lester Wolfe hoogleraar natuurkunde aan het MIT, en professor Mikhail Lukin van de universiteit van Harvard, meldt dat het groepen van drie fotonen heeft waargenomen die op elkaar inwerken en, in werkelijkheid, aan elkaar plakken om een ​​volledig nieuw soort fotonische materie te vormen.

Bij gecontroleerde experimenten, de onderzoekers ontdekten dat wanneer ze een zeer zwakke laserstraal door een dichte wolk van ultrakoude rubidium-atomen schenen, in plaats van de cloud als single te verlaten, willekeurig verdeelde fotonen, de fotonen die in paren of drietallen aan elkaar zijn gebonden, een soort van interactie suggereren - in dit geval, attractie - die onder hen plaatsvindt.

Terwijl fotonen normaal geen massa hebben en reizen met 300, 000 kilometer per seconde (de snelheid van het licht), de onderzoekers ontdekten dat de gebonden fotonen eigenlijk een fractie van de massa van een elektron kregen. Deze nieuw verzwaarde lichtdeeltjes waren ook relatief traag, reizen ongeveer 100, 000 keer langzamer dan normale niet-interagerende fotonen.

Vuletic zegt dat de resultaten aantonen dat fotonen inderdaad kunnen aantrekken, of elkaar raken. Als ze op andere manieren met elkaar kunnen communiceren, fotonen kunnen worden gebruikt om extreem snel te presteren, ongelooflijk complexe kwantumberekeningen.

"De interactie van individuele fotonen is al tientallen jaren een zeer lange droom, ' zegt Vuletic.

Tot de co-auteurs van Vuletic behoren Qi-Yung Liang, Sergio Cantu, en Travis Nicholson van MIT, Lukin en Aditya Venkatramani van Harvard, Michael Gullans en Alexey Gorshkov van de Universiteit van Maryland, Jeff Thompson van Princeton University, en Cheng Ching van de Universiteit van Chicago.

Groter en groter worden

Vuletic en Lukin leiden het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, en samen hebben ze manieren gezocht, zowel theoretisch als experimenteel, om interacties tussen fotonen aan te moedigen. In 2013, de moeite loonde, toen het team voor het eerst paren fotonen observeerde die op elkaar inwerkten en zich aan elkaar binden, het creëren van een geheel nieuwe staat van materie.

In hun nieuwe werk vroegen de onderzoekers zich af of er interacties kunnen plaatsvinden tussen niet alleen twee fotonen, maar meer.

"Bijvoorbeeld, je kunt zuurstofmoleculen combineren om O2 en O3 (ozon) te vormen, maar niet O4, en voor sommige moleculen kun je niet eens een molecuul met drie deeltjes vormen, "zegt Vuletic. "Dus het was een open vraag:kun je meer fotonen aan een molecuul toevoegen om steeds grotere dingen te maken?"

Er achter komen, het team gebruikte dezelfde experimentele benadering die ze gebruikten om interacties tussen twee fotonen te observeren. Het proces begint met het afkoelen van een wolk rubidiumatomen tot ultrakoude temperaturen, slechts een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. Door de atomen af ​​te koelen, komen ze bijna tot stilstand. Door deze wolk van geïmmobiliseerde atomen, de onderzoekers schijnen dan een zeer zwakke laserstraal - zo zwak, in feite, dat slechts een handvol fotonen tegelijkertijd door de wolk reizen.

De onderzoekers meten vervolgens de fotonen als ze aan de andere kant van de atoomwolk uitkomen. In het nieuwe experiment ze ontdekten dat de fotonen als paren en drietallen naar buiten stroomden, in plaats van de cloud met willekeurige tussenpozen te verlaten, als enkele fotonen die niets met elkaar te maken hebben.

Naast het volgen van het aantal en de snelheid van fotonen, het team heeft de fase van fotonen gemeten, voor en na het reizen door de atoomwolk. De fase van een foton geeft de trillingsfrequentie aan.

"De fase vertelt je hoe sterk ze op elkaar inwerken, en hoe groter de fase, hoe sterker ze met elkaar verbonden zijn, " legt Venkatramani uit. Het team merkte op dat terwijl drie-fotondeeltjes tegelijkertijd de atoomwolk verlieten, hun fase was verschoven in vergelijking met wat het was toen de fotonen helemaal geen interactie hadden, en was drie keer groter dan de faseverschuiving van twee-fotonmoleculen. "Dit betekent dat deze fotonen niet alleen elk afzonderlijk met elkaar in wisselwerking staan, maar ze werken allemaal sterk samen."

Memorabele ontmoetingen

De onderzoekers ontwikkelden vervolgens een hypothese om uit te leggen wat de interactie van de fotonen in de eerste plaats zou kunnen hebben veroorzaakt. hun voorbeeld, gebaseerd op fysieke principes, brengt het volgende scenario naar voren:als een enkel foton door de wolk van rubidium-atomen beweegt, het landt kort op een nabijgelegen atoom voordat het naar een ander atoom springt, als een bij die tussen bloemen fladdert, totdat het de andere kant bereikt.

Als een ander foton tegelijkertijd door de wolk reist, het kan ook wat tijd doorbrengen op een rubidiumatoom, een polariton vormen - een hybride die deel uitmaakt van een foton, deel atoom. Dan kunnen twee polaritons met elkaar interageren via hun atomaire component. Aan de rand van de wolk, de atomen blijven waar ze zijn, terwijl de fotonen uitgaan, nog steeds met elkaar verbonden. De onderzoekers ontdekten dat ditzelfde fenomeen kan optreden bij drie fotonen, een nog sterkere binding vormen dan de interacties tussen twee fotonen.

"Wat interessant was, was dat deze drielingen zich überhaupt vormden, " zegt Vuletic. "Het was ook niet bekend of ze gelijk zouden zijn, minder, of sterker gebonden in vergelijking met fotonparen."

De hele interactie binnen de atoomwolk vindt plaats in een miljoenste van een seconde. En het is deze interactie die fotonen triggert om aan elkaar gebonden te blijven, zelfs nadat ze de cloud hebben verlaten.

"Wat hier netjes aan is, wanneer fotonen door het medium gaan, alles wat er in het medium gebeurt, ze 'onthouden' wanneer ze uitstappen, ' zegt Cantu.

Dit betekent dat fotonen die interactie met elkaar hebben gehad, in dit geval door een aantrekkingskracht tussen hen, kan worden gezien als sterk gecorreleerd, of verstrengeld - een sleuteleigenschap voor elk quantum computing-bit.

"Fotonen kunnen heel snel over lange afstanden reizen, en mensen gebruiken licht om informatie door te geven, zoals in optische vezels, " zegt Vuletic. "Als fotonen elkaar kunnen beïnvloeden, als je deze fotonen kunt verstrengelen, en dat hebben we gedaan, je kunt ze gebruiken om op een interessante en nuttige manier kwantuminformatie te verspreiden."

Vooruit gaan, het team zal zoeken naar manieren om andere interacties af te dwingen, zoals afstoting, waar fotonen als biljartballen van elkaar kunnen verstrooien.

"Het is compleet nieuw in die zin dat we soms kwalitatief niet eens weten wat we kunnen verwachten, " zegt Vuletic. "Met afstoting van fotonen, kunnen ze zo zijn dat ze een regelmatig patroon vormen, als een kristal van licht? Of gaat er nog iets gebeuren? Het is zeer onontgonnen terrein."