Znanstvenici iz fotona stvorili dosad neviđeni oblik materije

Surađujući s kolegama iz Centra za ultrahladne atome Massachusettskog instituta za tehnologiju (MIT), grupa znanstvenika koju su vodili Mikhail Lukin, profesor fizike na Harvardu te Vladan Vuletic, profesor fizike na MIT-u, uspjeli su navesti fotone da se spoje i pretvore u molekule, odnosno u oblik materije koji je dosad bio moguć samo u teoriji. Njihov rad objavljen je prije nekoliko dana u časopisu Nature.

Lukin je rekao kako je ovo otkriće suprotno desetljećima prihvaćenog znanja o prirodi svjetlosti. Fotoni su dugo vremena bili opisivani kao čestice bez mase koje nisu u interakciji jedne s drugima. Uperite dvije laserske zrake jednu u drugu, rekao je, i one će jednostavno proći jedna kroz drugu. No „fotonske molekule" se ne ponašaju na isti način kao i laserske zrake, već prije kao nešto što se može naći u znanstvenoj fantastici, točnije svjetlosni mačevi.

„Većina svojstava svjetlosti koje znamo dolaze iz pretpostavke da su fotoni bez mase i da ne djeluju jedni na druge", rekao je Lukin. „Ono što smo mi napravili jest da smo stvorili posebnu vrstu medija u kojem su fotoni bili u tako snažnoj interakciji da se počelo činiti kao da imaju masu, te su se počeli povezivati u oblike molekula." Lukin dodaje kako je o ovakvom stanju fotonskih veza već neko vrijeme bilo raspravljano u teoriji, no to dosad nije bilo viđeno, te kaže kako se ovo veoma prikladno može usporediti sa svjetlosnim mačevima. „Kad ovi fotoni djeluju jedni na druge, oni se sudaraju i odbijaju jedni od drugih. Fizika toga što se događa u tim molekulama veoma je slična onome što možemo vidjeti u filmovima."

Kako bi fotone koji su inače bez mase potaknuli na povezivanje jednih s drugima, Lukin i kolege iz njegovog tima u ovom se eksperimentu jednostavno nisu mogli osloniti na silu, već su umjesto toga morali stvoriti ekstremne uvjete potrebne da se to dogodi. Znanstvenici su počeli eksperiment tako što su najprije ubacivali atome rubidija u zrakopraznu komoru, nakon čega su koristili lasere kako bi ohladili oblak atoma na samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule. Zatim su koristeći iznimno slabi laserski puls ubacivali jedan po jedan foton u taj oblak atoma.

Kako je objasnio Lukin, u trenutku kada foton uđe u oblak hladnih atoma, njegova energija na tom putu toliko pobudi atome da to rezultira dramatičnim usporavanjem fotona. Kako se foton kreće kroz oblak atoma, ta njegova energija prelazi s jednog atoma na drugi, te na kraju izlazi iz oblaka zajedno s fotonom. „U trenutku kad foton izađe iz medija, njegov identitet je sačuvan", rekao je Lukin. „Ovaj efekt jednak je onome kad promatramo lom svjetlosti u čaši vode. Svjetlost ulazi u vodu, daje mediju dio svoje energije i unutar medija postoji kao svjetlost i materija zajedno, ali kad izlazi, još uvijek je svjetlost. Naš proces je zapravo isti, iako malo ekstremniji. Točnije, svjetlost je dramatično usporena, a otpušteno je znatno više energije nego što je slučaj kod refrakcije svjetlosti u čaši vode."

Kad su Lukin i njegovi kolege ubacili dva fotona u oblak atoma iznenadili su se kad su vidjeli da su atomi iz oblaka izašli zajedno, tvoreći jednu molekulu. Razlog zbog kojeg su fotoni stvorili dosad neviđene molekule je efekt nazvan Rydbergova blokada, koji, kako objašnjava Lukin, govori da u trenutku kad je jedan atom pobuđen susjedni atomi ne mogu biti pobuđeni u istom stupnju. U praksi ovaj efekt znači da, kad dva fotona uđu u oblak atoma prvi pobudi neki atom, ali se mora pomaknuti naprijed prije nego drugi foton može pobuditi susjedne atome. Rezultat je, kako kaže, guranje i odbijanje dva fotona kroz oblak dok njihova energija prelazi s jednog atoma na sljedeći.

„Ovo je interakcija fotona koja je povezana s interakcijom atoma", rekao je Lukin, te dodao: „To tjera ta dva fotona da se ponašaju kao molekula, a kad izađu iz medija vjerojatnije je da će to napraviti skupa nego samostalno kao jedan foton."

Ovaj efekt prilično je neuobičajen, no ima neke praktične implikacije. „Radimo ovo zato što je zabavno i zato što pomičemo granice znanosti", govori Lukin i dodaje kako ovo otkriće ipak ima velike praktične implikacije jer su fotoni i dalje najbolji mogući način za prijenos kvantnih informacija, a jedini nedostatak dosad bio je taj što se smatralo da fotoni ne mogu biti u međusobnoj interakciji.

Kako bi napravili kvantni kompjuter, objasnio je, znanstvenici moraju svoriti sustav koji bi mogao zadržati kvantne informacije te ih procesirati koristeći kvantne logičke operacije. Međutim, izazov u tome je to što kvantna logika zahtijeva interakcije između individualnih čestica kako bi kvantni sustavi mogli biti prebačeni na procesiranje informacija.

„Ono što mi demonstriramo svojim procesom dopušta nam da se to ostvari", govori Lukin. „Prije nego što napravimo koristan, praktičan kvantni prekidač ili fotonska logička vrata moramo poboljšati izvedbu, tako da je ovo još uvijek na početnoj razini, no i to je važan korak. Fizički principi koje smo s ovime ustanovili veoma su važni." Ovakav sustav mogao bi čak biti koristan i u klasičnom računanju, objasnio je, budući da se proizvođači čipova sada suočavaju s rasipanjem energije. Brojne kompanije, uključujući i IBM, rade na razvoju sustava koji se oslanjaju na optičke routere koji pretvaraju svjetlosne signale u električne, no čak i ti sustavi imaju određene prepreke.

Lukin je također predložio kako bi njihov sustav jednog dana mogao biti iskorišten u stvaranju složenih trodimenzionalnih struktura kao što su kristali u potpunosti iz svjetlosti. „Ne znamo još za što bi sve ovo naše otkriće moglo biti korisno, pa se zbog toga nadamo da bi se nove aplikacije mogle pojaviti već tijekom našeg nastavljanja proučavanja svojstava tih fotonskih molekula", rekao je.

Izvor: Harvard University