Vědci vytvořili zcela novou formu světla, má tři fotony v jedné částici

19. 02. 2018

Světlo Kvantová fyzika Částicová fyzika

Vědcům se v experimentu podařilo prokázat novou formu světla, kdy se jednotlivé fotony vážou do trojic. Vytvořené trojfotony tvoří základ doposud neprobádané fotonické hmoty, která zatím nebyla pozorována ani v přírodě, ani v experimentech. Tento úspěch by mohl vést k použití fotonů v kvantových výpočtech, nebo dalším, doteď netušeným, možnostem. Výsledky týmu vědců z MIT, Harvard University a dalších institucí vedeném Vladanem Vuletićem a Mikhailem Lukinem byly publikovány v únorovém čísle magazínu Science.

Oblak rubidia a fotony

Ilustrace experimentu, při kterém přichází zprava fotony do oblaku atomů ultrachladného rubidia. V něm dochází k provázání fotonů a atomů, kdy vznikají částice polaritony, které se mohou spojovat do molekul. V levé části fotony opouštějí oblak a oddělují se od polaritonů, zůstávají však vázané do dvojic nebo trojic.

Image credit: LF.cz

V kontrolovaném experimentu byl namířen slabý proud fotonů do oblaku velmi chladných atomů rubidia. Aby bylo možné výsledky dobře změřit, laserový paprsek byl tak slabý, že v něm byly postupně vysílány pouze jednotky fotonů. Atomy rubidia pak byly ochlazeny na extrémně nízkou teplotu, jen pouhou miliontinu stupně nad absolutní nulou, kdy prakticky dochází k zastavení pohybu atomů.

Vědci následně měřili fotony, které z oblaku rubidia unikaly někdy samostatně ale v některých případech také ve dvojicích nebo trojicích, což indikuje nějakou formu interakce uvnitř oblaku, protože fotony do něj vstupovaly vždy po jednom. Stejný tým vědců už v roce 2013 prokázal, že fotony lze vázat do dvojic. Poslední experiment ale poprvé ukázal, že lze částice světla vázat i do trojic a možná i větších skupin.

Na základě těchto výsledků pak vědci přišli s hypotézou vysvětlující, co se uvnitř oblaku rubidia vlastně děje. Podle jejich scénáře se fotony krátce usazují na povrchu atomů rubidia a přeskakují z jednoho na druhý, vytváří tak částici zvanou polariton tvořenou atomem a fotonem. Tyto polaritony následně dokáží reagovat mezi sebou a skrze část tvořenou atomem se spojují do komplexnějších struktur. Na okraji oblaku atomů se fotony opět oddělí z polaritonů, zůstávají však vázané k sobě.

Podobně reagují také trojice polaritonů, které vytváří ještě silněji provázané skupiny fotonů. "Velmi zajímavé bylo už to, že vůbec vznikají trojice fotonů, nevěděli jsme zda je to možné. Doposud nebylo známo ani to, zda budou vázány silnějším nebo slabějším poutem než dvojice." zmínil Vuletić.

Nová forma světla má oproti běžnému světlu výjimečné vlastnosti. Kromě toho, že spolu fotony interagují, mají totiž také hmotnost, i když pouhý zlomek hmotnosti elektronu. Díky jejich hmotnosti už také necestují rychlostí světla, ale asi stotisíckrát pomaleji.

Důležité podle vědců je, že si fotony do určité míry "pamatují", co se v oblaku atomů rubidia stalo. Tato vlastnost by se dala využít při kvantových výpočtech a mohla by se stát klíčovou pro qubity. Tým vědců se bude problematikou nadále zabývat a bude se nyní pokoušet vyvolat další interakce fotonů, například jejich vzájemné odpuzování.