Wetenschappers van de Universiteit van Bath in het VK hebben een manier gevonden om twee fotonen van verschillende kleuren aan elkaar te binden. de weg vrijmaken voor belangrijke vorderingen in de kwantumelektrodynamica - het wetenschapsgebied dat beschrijft hoe licht en materie op elkaar inwerken. Op tijd, de bevindingen van het team zullen waarschijnlijk van invloed zijn op de ontwikkelingen in optische en kwantumcommunicatie, en precisiemetingen van frequentie, tijd en afstanden.

Appel en zwaai:ze hebben allebei een massa

Een appel die van een boom valt, heeft snelheid en massa, die samen het momentum geven. 'Apple-energie' afgeleid van beweging hangt af van het momentum en de massa van de vrucht.

De meeste mensen vinden het concept van momentum en energie (en dus massa) gemakkelijk te begrijpen wanneer het wordt geassocieerd met vaste objecten. Maar het idee dat niet-materiële objecten, zoals lichtgolven (alles van zonlicht tot laserstraling), ook een massa hebben is voor velen verrassend. Onder natuurkundigen, echter, het is een bekend feit. Dit schijnbaar paradoxale idee dat golven een massa hebben, markeert de plek waar de kwantumfysica en de fysieke wereld samenkomen.

De golf-deeltje dualiteit, voorgesteld door de Franse natuurkundige Louis de Broglie in 1924, is een krachtig concept dat beschrijft hoe elk deeltje of kwantumentiteit kan worden beschreven als een deeltje of een golf. Er zijn veel zogenaamde quasideeltjes ontdekt die ofwel twee verschillende soorten materiedeeltjes combineren, of lichtgolven gebonden aan een deeltje materie. Een lijst van exotische quasideeltjes omvat fononen, plasmonen, magnonen en polaritonen.

Het team van natuurkundigen in Bath heeft nu een manier gerapporteerd om quasideeltjes te maken die twee verschillend gekleurde lichtdeeltjes aan elkaar binden. Ze hebben deze formaties foton-foton-polaritonen genoemd.

Detectie van foton-foton polaritonen

De mogelijkheid om te ontdekken, en manipuleren, foton-fotonen is mogelijk dankzij de relatief nieuwe ontwikkeling van hoogwaardige microresonatoren. voor licht, microresonators fungeren als miniatuurracebanen, met fotonen die in lussen rond de interne structuur ritselen. De handtekening achtergelaten door foton-fotonen in het licht dat de microresonator verlaat, kan worden gekoppeld aan het Autler-Townes-effect, een eigenaardig fenomeen in de kwantumtheorie dat sterke foton-atoom interacties beschrijft. Om dit effect in microresonatoren te bereiken, een laser is afgestemd op de specifieke resonantiefrequentie waar een foton naar verwachting wordt geabsorbeerd, toch vindt er geen resonantieabsorptie plaats. In plaats daarvan, de foton-foton interactie vormt twee nieuwe resonantiefrequenties verwijderd van de oude.

Een belangrijk kenmerk dat uit het Bath-onderzoek naar voren is gekomen, is dat de microresonator een hele reeks gesplitste resonanties opleverde, waarbij elk foton-fotonpaar zijn eigen momentum en energie vertoonde, waardoor de onderzoekers het quasideeltjesconcept konden toepassen en massa konden berekenen. Volgens de voorspellingen van de onderzoekers foton-fotonen zijn 1, 000+ keer lichter dan elektronen.

Professor Dmitry Skryabin, de fysicus die het onderzoek leidde, zei:"We hebben nu een situatie waarin microresonatoren - objecten op millimeterschaal - zich gedragen als gigantische atomen. Het concept van kunstmatige atomen wint snel terrein in de kwantumelektrodynamica van microgolven in supergeleidende circuits, terwijl we hier kijken naar de vergelijkbare mogelijkheid in het optische frequentiebereik.

"De kleine massa foton-fotonen zou kunnen leiden tot verdere ontwikkelingen van veel belangrijke analogieën tussen licht en vloeistoffen, waar andere families van quasideeltjes al zijn gebruikt."

doctoraat student Vlad Pankratov, die deelnamen aan het project, zei:"Na een jaar modellen draaien en gegevens verzamelen, dit zijn ongelooflijk opwindende bevindingen voor ons. De mogelijke toepassingen van onze resultaten liggen in de terabit- en kwantumoptische communicatieschema's, en op het gebied van precisiemetingen."

Het artikel "Photon-photon polaritons in χ(2) microresonators" is gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek .