Det er et glimt av science fiction-faktum: Forskere har laget en ny form for lys som en dag kan brukes til å bygge lette krystaller. Men før Jedis ville være i ferd med å kreve sabrene sine, er fremskrittet langt mer sannsynlig å føre til spennende nye måter å kommunisere og regne på, melder forskere denne uken i Science .
Lys består av fotoner - raske, bittesmå energipakker. Vanligvis er fotoner ikke i samspill med hverandre i det hele tatt, og det er grunnen til at når du bruker lommelykter "ser du ikke lysstrålene sprette av hverandre, du ser dem gå gjennom hverandre, " forklarer Sergio Cantu, doktorgrad. kandidat i atomfysikk ved Massachusetts Institute of Technology. I nye eksperimenter kokte fysikerne imidlertid individuelle fotoner for å hygge seg opp mot hverandre og koble seg, på samme måte som hvordan individuelle atomer henger sammen i molekyler.
Fotondansen skjer i et laboratorium på MIT der fysikerne kjører eksperimenter på bordet med lasere. Cantu, hans kollega Aditya Venkatramani, en doktorgrad. kandidat i atomfysikk ved Harvard University, og deres samarbeidspartnere starter med å lage en sky av kjølt rubidiumatomer. Rubidium er et alkalimetall, slik at det vanligvis ser ut som et sølvhvit fast stoff. Men å fordampe rubidium med en laser og holde det ultracold skaper en sky forskerne inneholder i et lite rør og magnetiserer. Dette holder rubidiumatomene diffuse, sakte i bevegelse og i en veldig spent tilstand.
Så skyter teamet en svak laser mot skyen. Laseren er så svak at bare en håndfull fotoner kommer inn i skyen, forklarer en pressemelding fra MIT. Fysikerne måler fotonene når de kommer ut fra den andre siden av skyen, og det er når ting blir rart.
Normalt vil fotonene ferdes med lysets hastighet - eller nesten 300 000 kilometer i sekundet. Men mens de går gjennom skyen, kryper fotonene seg 100.000 ganger saktere enn normalt. I stedet for å gå ut av skyen tilfeldig, kommer fotonene gjennom par eller trillinger. Disse parene og tripplene gir også av en annen energisignatur, et faseskift, som forteller forskerne fotonene samhandler.
"Til å begynne med var det uklart, " sier Venkatramani. Teamet hadde sett to fotoner samhandle før, men de visste ikke om trillinger var mulig. Tross alt, forklarer han, er et hydrogenmolekyl et stabilt arrangement av to hydrogenatomer, men tre hydrogenatomer kan ikke forbli sammen lenger enn en milliondel av et sekund. "Vi var ikke sikre på at tre fotoner ville være et stabilt molekyl eller noe vi selv kunne se, " sier han.
Overraskende oppdaget forskerne at tre-foton gruppering er enda mer stabil enn to. "Jo mer du legger til, jo sterkere blir de bundet, " sier Venkatramani.
Men hvordan blir fotonene sammen? Fysikernes teoretiske modell antyder at når et enkelt foton beveger seg gjennom skyen av rubidium, humper det fra et atom til et annet, "som en bie som fløyer mellom blomster, " forklarer pressemeldingen. Ett foton kan kort binde seg til et atom, og danne et hybridfotonatom eller polariton. Hvis to av disse polaritonene møtes i skyen, samhandler de. Når de når kanten av skyen, forblir atomene bak og fotonene seiler fremover, fremdeles bundet sammen. Legg til flere fotoner og samme fenomen gir opphav til tripletter.
"Nå som vi forstår hva som fører til at interaksjoner er attraktive, kan du spørre: Kan du få dem til å frastøte hverandre i stedet?" sier Cantu. I utgangspunktet kan det å leke med samspillet avsløre ny innsikt i hvordan energi fungerer eller hvor den kommer fra, sier han.
I forbindelse med teknologiske fremskritt kan fotoner bundet sammen på denne måten bære informasjon — en kvalitet som er nyttig for kvanteberegning. Og kvanteberegning kan føre til ukrakkbare koder, ultra-presise klokker, utrolig kraftige datamaskiner og mer. Det som er så attraktivt med å kode informasjon i fotoner, er at fotoner kan føre informasjonen deres over avstander veldig raskt. Allerede fotoner fremskynder kommunikasjonen langs fiberoptiske linjer. Bundne eller sammenfiltrede fotoner kunne overføre kompleks kvanteinformasjon nesten øyeblikkelig.
Teamet ser for seg å kontrollere de attraktive og frastøtende interaksjonene mellom fotoner så presist at de kunne arrangere fotoner i forutsigbare strukturer som holder sammen som krystaller. Noen fotoner ville frastøte hverandre og skyve fra hverandre til de finner sin egen plass, mens andre holder den større formasjonen og forhindrer at de frastøtende sprer seg. Deres mønstrede arrangement ville være en lett krystall. I en lys krystall, "hvis du vet hvor det ene fotonet er, så vet du hvor de andre er bak det, med like store intervaller, " sier Venkatramani. "Dette kan være veldig nyttig hvis du vil ha kvantekommunikasjon med jevne mellomrom."
Fremtiden som slike krystaller kan muliggjøre, kan virke mer tåpelig enn en der folk kjemper med lysskilt, men det kan holde fremskritt enda mer imponerende og upåvirket av ennå.
Redaktørens merknad: Denne historien er korrigert for å gjenspeile at fotoner, ikke atomer, kommer inn i rubidiumskyen og hastigheten deres tregere mens de går gjennom.
