Elk type atoom in het universum heeft een unieke vingerafdruk:het absorbeert of straalt alleen licht uit bij de specifieke energieën die overeenkomen met de toegestane banen van zijn elektronen. Die vingerafdruk stelt wetenschappers in staat om een ​​atoom te identificeren waar het ook wordt gevonden. Een waterstofatoom in de ruimte absorbeert licht met dezelfde energieën als op aarde.

Terwijl natuurkundigen hebben geleerd hoe elektrische en magnetische velden deze vingerafdruk kunnen manipuleren, het aantal kenmerken waaruit het bestaat, blijft meestal constant. In werk gepubliceerd op 3 juli in het tijdschrift Natuur , Onderzoekers van de Universiteit van Chicago daagden dit paradigma uit door elektronen met lasers te schudden om "dubbelganger" -kenmerken te creëren bij nieuwe energieën - een doorbraak waarmee wetenschappers hybride deeltjes kunnen creëren die deels atoom en deels licht zijn, met een grote verscheidenheid aan nieuw gedrag.

Het onderzoek maakt deel uit van een grotere inspanning in Assoc. Prof. Jonathan Simon's lab om de muren tussen materie en licht af te breken, om hun fundamentele eigenschappen te onderzoeken. Naast het leren over hoe materialen zich gedragen op kwantumniveau, dit werk zou op een dag kunnen helpen bij het maken van krachtigere computers of vrijwel "niet-hackbare" kwantumcommunicatie.

Een stap op weg naar het maken van materie uit licht is het maken van individuele pakketjes licht, fotonen genoemd, met elkaar omgaan zoals materie dat doet. (Normaal ritselen fotonen met de snelheid van het licht mee en reageren ze helemaal niet op elkaar.)

"Om fotonen met elkaar te laten botsen, we gebruiken atomen als tussenpersoon, " zei postdoctoraal onderzoeker Logan Clark, die het onderzoek leidde. "Maar we liepen tegen een probleem aan omdat de fotonen alleen interageren met atomen waarvan de elektronische orbitalen zeer specifieke energieën hebben. Dus vroegen we:wat als we kopieën van de orbitalen zouden kunnen maken met elke energie die we willen?"

Clark had al technieken ontwikkeld om kwantummaterie te manipuleren door ermee te schudden - Floquet-engineering genoemd - als onderdeel van zijn Ph.D. projecteren. Het juiste soort schudden produceert onderweg natuurlijk kopieën van kwantumtoestanden bij meerdere energieën. "We hadden de kopieën altijd eerder als een bijwerking dan als het doel gezien, " hij zei, "maar deze keer, we schudden onze elektronen met de specifieke bedoeling om de kopieën te maken."

Door de intensiteit van een laserveld te variëren dat precies is afgestemd op een atomaire resonantie, het team was in staat om de orbitalen van een elektron te verschuiven. Door de orbitalen te schudden door deze intensiteit periodiek te variëren, werden de gewenste kopieën geproduceerd.

Maar deze dubbelgangers hebben een belangrijke vangst:"Hoewel de atomaire orbitaal bij meerdere verschillende energieën verschijnt, het is belangrijk op te merken dat deze kopieën eigenlijk als marionetten aan het origineel zijn gebonden, ", legt postdoctoraal onderzoeker Nathan Schine uit, een co-auteur van het onderzoek. "Als een van de kopieën verschuift, het origineel en alle andere kopieën verschuiven mee."

Door fotonen te laten interageren met deze geschudde atomen, het team heeft gecreëerd wat ze "Floquet polaritons" noemen - quasi-deeltjes die deels licht en deels atoom zijn, en in tegenstelling tot gewone fotonen, vrij sterk met elkaar omgaan. Deze interacties zijn essentieel voor het maken van materie uit licht. Het maken van polaritons met geschudde atomen kan de polaritons veel meer flexibiliteit geven om op nieuwe manieren te bewegen en met elkaar in botsing te komen.

"Floquet-polaritonen zitten vol verrassingen; we blijven ze steeds beter begrijpen, ' zei Clark. 'Onze volgende opdracht, Hoewel, zal zijn om deze botsende fotonen te gebruiken om topologische 'vloeistoffen' van licht te maken. Het is een enorm spannende tijd."

Het hebben van kopieën van een atomaire toestand bij meerdere energieën biedt ook opwindende mogelijkheden voor optische frequentieconversie - een belangrijk hulpmiddel bij het creëren van veilige kwantumcommunicatiemethoden.

"Het blijkt dat dingen schudden niet alleen heel leuk is, maar kan leiden tot een werkelijk fascinerende wetenschap, ' zei Clark.