Natuurkundigen van EPFL hebben een manier gevonden om fotonen voor het eerst te laten interageren met paren atomen. De doorbraak is belangrijk voor het vakgebied van de holte kwantumelektrodynamica (QED), een baanbrekend veld dat de weg wijst naar kwantumtechnologieën.

Het lijdt geen twijfel dat we gestaag op weg zijn naar een tijdperk van technologieën gebaseerd op de kwantumfysica. Maar om daar te komen, we moeten eerst het vermogen beheersen om licht te laten interageren met materie - of meer technisch, fotonen met atomen.

Dit is tot op zekere hoogte al gelukt, wat ons het geavanceerde veld van holte kwantumelektrodynamica (QED) geeft, die al wordt gebruikt in kwantumnetwerken en kwantuminformatieverwerking. Niettemin, er is nog een lange weg te gaan. De huidige interacties tussen licht en materie zijn beperkt tot individuele atomen, wat ons vermogen om ze te bestuderen beperkt in het soort complexe systemen dat betrokken is bij op kwantum gebaseerde technologieën.

In een paper gepubliceerd in Natuur , onderzoekers van de groep van Jean-Philippe Brantut van EPFL's School of Basic Sciences hebben een manier gevonden om fotonen bij ultralage temperaturen te laten 'vermengen' met paren atomen.

De onderzoekers gebruikten een zogenaamd Fermi-gas, een toestand van materie gemaakt van atomen die lijkt op die van elektronen in materialen. "Als er geen fotonen zijn, het gas kan worden bereid in een toestand waarin atomen zeer sterk met elkaar interageren, losjes gebonden paren vormen, " legt Brantut uit. "Als er licht op het gas wordt gestuurd, sommige van deze paren kunnen worden omgezet in chemisch gebonden moleculen door ze te absorberen met fotonen."

Een belangrijk concept in dit nieuwe effect is dat het "coherent, " wat betekent dat foton kan worden geabsorbeerd om een ​​paar atomen in een molecuul te veranderen, dan terug uitgezonden, vervolgens meerdere keren geresorbeerd. "Dit houdt in dat het paar-fotonensysteem een ​​nieuw type 'deeltje' vormt - technisch gezien een excitatie - die we 'paar-polariton' noemen, '", zegt Brantut. "Dit wordt mogelijk gemaakt in ons systeem, waar fotonen zijn opgesloten in een 'optische holte' - een gesloten doos die hen dwingt om sterk te interageren met de atomen."

De hybride paar-polaritonen nemen enkele eigenschappen van fotonen over, wat betekent dat ze kunnen worden gemeten met optische methoden. Ze nemen ook enkele eigenschappen van het Fermi-gas over, zoals het aantal atoomparen dat het oorspronkelijk had vóór de inkomende fotonen.

"Sommige van de zeer ingewikkelde eigenschappen van het gas worden vertaald naar optische eigenschappen, die op een directe manier kan worden gemeten, en zelfs zonder het systeem te verstoren, ", zegt Brantut. "Een toekomstige toepassing zou zijn in de kwantumchemie, omdat we aantonen dat sommige chemische reacties coherent kunnen worden geproduceerd met behulp van enkele fotonen."