Ученые впервые заставили фотоны взаимодействовать с парами атомов

Нет сомнений в том, что мы неуклонно движемся к эре технологий, основанных на квантовой физике. Но чтобы достичь этого, мы сначала должны овладеть способностью заставлять свет взаимодействовать с материей – или, говоря точнее, фотонами с атомами.

В некоторой степени это уже было достигнуто, что дало нам передовую область квантовой электродинамики резонатора (КЭД), которая уже используется в квантовых сетях и квантовой обработке информации. Тем не менее, предстоит еще долгий путь. Современные взаимодействия света и вещества ограничиваются отдельными атомами, что ограничивает нашу способность изучать их в виде сложных систем, задействованных в квантовых технологиях.

В статье, опубликованной в Природаисследователи из группы Жана-Филиппа Бранту из Школы фундаментальных наук EPFL нашли способ заставить фотоны «смешиваться» с парами атомов при сверхнизких температурах.

Исследователи использовали так называемый ферми-газ, состояние вещества, состоящего из атомов, которое напоминает состояние электронов в материалах. «В отсутствие фотонов газ можно приготовить в состоянии, когда атомы очень сильно взаимодействуют друг с другом, образуя слабосвязанные пары», – объясняет Брантут. «Когда свет попадает в газ, некоторые из этих пар могут превращаться в химически связанные молекулы, поглощаясь фотонами».

Ключевой концепцией этого нового эффекта является то, что он происходит «когерентно», что означает, что фотон может быть поглощен, чтобы превратить пару атомов в молекулу, затем испускаться обратно, а затем повторно поглощаться несколько раз. «Это означает, что парно-фотонная система образует новый тип« частицы »- технически возбуждение, которое мы называем« парно-поляритонным », – говорит Брантут. «Это стало возможным в нашей системе, где фотоны заключены в« оптическую полость »- закрытый ящик, который заставляет их сильно взаимодействовать с атомами».

Гибридные парные поляритоны приобретают некоторые свойства фотонов, а это означает, что их можно измерить оптическими методами. Они также приобретают некоторые свойства ферми-газа, такие как количество пар атомов, которое он имел изначально до приходящих фотонов.

«Некоторые из очень сложных свойств газа переводятся в оптические свойства, которые можно измерить прямым способом, даже без нарушения системы», – говорит Брантут. «Будущее приложение будет в квантовой химии, поскольку мы демонстрируем, что некоторые химические реакции могут быть когерентно произведены с использованием одиночных фотонов».