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
