Физики впервые получили фотонные тримеры

Физики впервые получили фотонные тримеры

Американские физики впервые экспериментально зарегистрировали связанные состояния из трех фотонов. Образование необычных для фотонов тримеров происходит при прохождении лазерного пучка через облако охлажденных атомов рубидия за счет формирования промежуточных поляритонных состояний, пишут ученые в Science.

В отличие от квантовых частиц, обладающих массой, фотоны очень слабо взаимодействуют друг с другом и практически не образуют связанных состояний. Впервые связанное состояние между двумя фотонами ученым удалось экспериментально зарегистрировать только в 2013 году. Для того, чтобы могли образоваться фотонные димеры, распространение света должно происходить в нелинейной квантовой среде, в которой между возбужденными состояниями атомов и фотонами происходит взаимодействие с формированием поляритонов. Вопрос о том, могут ли при этом фотоны образовывать связанные состояния с большим числом частиц больше двух, оставался до настоящего дня открытым.

Группа американских физиков под руководством Владана Вулетича (Vladan Vuletić) из Массачусетского технологического института и Михаила Лукина (Mikhail D. Lukin) из Гарвардского университета — из той же группы, которая пять лет назад зарегистрировала существование связанных фотонных пар — на этот раз смогла экспериментально получить связанное состояние из трех фотонов. Образование связанного состояния также происходит в нелинейной квантовой среде, при этом в качестве «посредников» при образовании тримера выступают атомы, из которых эта среда состоит.

В качестве такой нелинейной квантовой среды в данной работе использовалось облако из атомов рубидия-87, охлажденных до миллионных долей кельвина — то есть практически до абсолютного нуля. Облучая облако из сверххолодных атомов слабым лазерным пучком, на выходе можно зарегистрировать отдельные фотоны и достаточно надежно определить их свойства. Взаимодействие между фотонами в такой системе происходит через ридберговское состояние атома — высоковозбужденное состояние с маленьким потенциалом ионизации и большим временем жизни. Взаимодействие осуществляется за счет механизма электромагнитно-индуцированной прозрачности, который за счет эффектов квантовой интерференции приводит к появлению полосы пропускания света в области поглощения.

Образующиеся ридберговские поляритоны, каждый из которых включает в себя возбуждение атома рубидия и фотон, взаимодействуют друг с другом, формируя димеры и тримеры. В таком связанном виде они перемещаются по охлажденному атомному облаку, после чего возбуждение вместе с атомом рубидия остается внутри облака, а фотоны. связанные между собой парами и тройками, вылетают дальше.

Чтобы доказать, что в прошедшем сквозь облако атомов рубидия действительно образуют тримеры, ученые измерили их корреляции и провели анализ фазового состояния на выходе из облака. Исходя из полученных данных, авторам работы удалось доказать существование тримеров, а также количественно оценить их основные праметры: силу взаимодействия, характерное расстояние, на котором начинается взаимодействие, и скорость их распространения. Оказалось, что возникающая у фотонов в тримерах эффективная масса приводит к уменьшению скорости распространения света примерно на 6 порядков относительно обычных 300 тысяч километров в секунду. Кроме того, ученые оценили энергию связи между фотонами в димерах и тримерах, которая оказалась примерно на 10 порядков меньше, чем, например, между атомами в молекуле водорода.

В своей работе физики также предлагают способы для увеличения устойчивости образовавшихся тримеров: в частности, это использование атомных облаков большего размера и изменение формы и площади лазерного пучка. По словам авторов работы, поскольку фотоны в таких димерах и тримерах оказываются запутанными, то за счет довольно сильной связи между ними, это связанное состояние можно использовать для более эффективной передачи информации в квантовых фотонных устройствах.

За счет взаимодействия лазера с облаками охлажденных атомов могут меняться свойства не только фотонов, но и самих атомов. Например, за счет эффекта электрострикции сферическое облако атомов можно растягивать и сжимать лазером. Кроме того, подобное взаимодействие можно использовать и в практических целях, например, для подавления шума при регистрации гравитационных волн.
Александр Дубов

N+1

Похожие новости:
Шведские физики изучили свойства нового 115-го элемента
Шведские физики смогли получить новый элемент произведя бомбардирование мишени америция с 95-ю протонами атомами кальция с 20-ю протонами. В результате такого столкновения ученые зафиксировали рождение ядер сверхтяжелого 115-го элемента. Новый элемент таблицы Менделеева ..
2013-08-28 2343 0 Научные открытия
0
Физики впервые проверили принцип Ландауэра на практике
Физики впервые на практике продемонстрировали так называемый принцип Ландауэра. Статья ученых появилась в журнале Nature. Принцип Ландауэра был сформулирован работавшим на тот момент в IBM Рольфом Ландауэром в 1961 году. Этот принцип утверждает, что вне зависимости от технической реализации вычислительной системы, при стирании одного ..
2012-03-12 1848 0 Научные открытия
0
Получен «святой Грааль физики»
Ученые из Гарвардского университета (США) впервые, по их словам, могли наблюдать фазовый переход Вигнера-Хантингтона, свидетельствующий об образовании металлического водорода. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает EurekAlert!«Это святой Грааль физики высоких давлений, — сказал соавтор ..
2017-01-29 8350 0 Научные открытия
0
Физики придумали первый танцующий кристалл
Физики-теоретики из Канады и США спрогнозировали существование кристалла, элементы которого находятся в непрерывном движении. Последнее обусловливает их свойства симметрии, получившие название хореографического порядка. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко о них сообщает Physics.Обычные ..
2016-01-12 1503 0 Научные открытия
1
Физики разделили электрон на орбитон и спинон
Индивидуальные (изолированные) электроны считаются элементарными частицами, то есть их нельзя разложить на составляющие. Однако в 80-х годах прошлого века советские физики-теоретики предсказали, что электроны в одномерной цепочке атомов можно будет разложить на три квазичастицы — орбитон, спинон и холон.Холон ..
2012-04-19 3485 0 Научные открытия
2
Немецкие ученые синтезировали новый химический элемент
Физики из Германии синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева. Результаты своего исследования авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, кратко с ним можно ознакомиться на сайте New Scientist. Первоначально физики хотели синтезировать 119-й элемент таблицы, но после безуспешных попыток ..
2014-05-06 1587 0 Научные открытия
0
Крупнейшая научная премия досталась выходцу из России
Крупнейшая в мире научная премия - премия Мильнера или Fundamental Physics Prize (FPP) - досталась сотруднику Принстонского университета Александру Полякову, который является выходцем из России, передает в четверг «Лента.ру». Размер премии составляет 3 млн долларов. Она досталась Полякову за работы в области ..
2013-03-21 2206 1 Научные открытия
0
В CERN получили антиводород
Ученым из Европейского центра ядерных исследований (CERN) в рамках эксперимента ASACUSA впервые удалось получить антиводород. Об этом сообщается на сайте центра. Статья ученых появилась в журнале Nature Communications. В эксперименте антипротоны, из замедлителя AD, смешивают с позитронами (антиэлектронами) в специальной ..
2014-01-22 1710 1 Научные открытия
0
Подтверждена 80-летняя физическая теория
Итальянские и польские физики впервые наблюдали свойства вакуума, существование которых прогнозировалось в 1930-х годах квантовой электродинамикой. Поясняющее видео доступно на YouTube-канале Европейской южной обсерватории.Наблюдения показали, что вакуум подвержен квантовому эффекту двойного лучепреломления. «В рамках квантовой ..
2016-12-02 2780 0 Научные открытия
0
Физики увидели «запрещенную» самосборку коллоидного кристалла
Физики из Франции и Германии обнаружили образование коллоидных кристаллов в «запрещенных условиях». Ученые обнаружили, что даже при наличии в растворе частиц с широким диапазоном размеров все равно возможен рост упорядоченных кристаллов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает ..
2016-06-15 1105 0 Научные открытия
0
Графен поможет заново определить единицу силы тока
Британские физики разработали первый одноэлектронный насос на основе квантовой точки, выполненной из графена. Установка, собранная группой ученых из Национальной физической лаборатории (NPL) и Кембриджского университета, описана в статье в Nature Nanotechnology. Обзор публикации приводит Phys.org.Одноэлектронный насос ..
2013-05-16 1251 0 Научные открытия
0
Физики впервые сделали зеркало из оптической материи
Физики впервые экспериментально продемонстрировали возможность создания зеркала из так называемой оптической материи - множества частиц, заключенных в оптические ловушки. Статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводится на сайте Phys.org. Объектом исследования выступали полистироловые ..
2014-01-21 1482 0 Научные открытия
0
Физики придумали способ стабилизации плазменных филаментов
Физики придумали способ стабилизации плазменных филаментов - относительно недавно открытых объектов с большим потенциалом использования в различных прикладных областях. Статьяисследователей появилась в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводится на сайте Американского физического общества. В физике ..
2012-09-18 1874 0 Научные открытия
0
Физики нашли бозон Хиггса
Физики установили факт существования бозона Хиггса - недостающего элемента в цепочке объяснения мироздания, сообщает РИА Новости. По данным агентства, в блогах ученых об этом говорится как о свершившемся факте, участник исследований, сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос сказал, что после ..
2012-06-19 2897 2 Научные открытия
1
Физики получили фазу-предшественник металлического водорода
Физики из Университета Эдинбурга получили новую фазу сверхвысокого давления для водорода — «фазу-V». По словам ученых, в ней наблюдается ослабление связи водород-водород и, возможно, она является переходным состоянием к фазе металлического водорода. Наблюдается переход при давлении 3,25 миллиона атмосфер — такие ..
2016-01-10 1301 0 Научные открытия
1