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:
Фотонную нейронную сеть научили считать
Инженеры из университета Гента разработали фотонный чип, построенный по принципам нейронных сетей. Он состоит всего из 16 узлов, однако способен выполнять все типичные задачи машины Тьюринга. Описание устройства опубликовано в журнале Nature Communications, кратко о нем можно прочитать на сайте ..
2014-04-03 1460 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 1293 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 2508 1 Научные открытия
0
Физик из МГУ с зарубежными коллегами создал элемент для фотонных компьютеров
Физик-теоретик из Московского государственного университета (МГУ) и Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) Михаил Трибельский вместе с коллегами из Франции и Испании создали миниатюрную диэлектрическую сферу с высоким показателем преломления и низким коэффициентом затухания излучения. ..
2015-08-24 4638 0 Научные открытия
1
Американские математики получили самое большое простое число
Американские математики, участвующие в проекте GIMPS, получили самое большое известное простое число — оно состоит из 17 миллионов цифр, его открытие позволит получить новые стойкие шифры, сообщает РИА Новости со ссылкой на сайт проекта. Новое простое число, относящееся к классу ..
2013-02-7 1771 0 Научные открытия
0
Физики узнали причину главного недостатка графена
Группе физиков под руководством Кирилла Болотина из Университета Вандербильда удалось установить причину низкой электронной мобильности в графене. Кроме этого они смогли увеличить этот показатель в три раза. Результаты их работыпубликует журнал Nature Communications. Исследователи помещали слой графена на специальную подложку с позолоченными ..
2012-03-14 1627 0 Научные открытия
0
Наука и жизнь - 2013: итоги года
Уходящий научный год был насыщен самыми разными событиями, встречами и открытиями. Вспомним о том, о чем мы вместе с вами узнали в 2013 году. Одним из самых ярких, во всех смыслах этого слова, событий 2013 года стало падение Челябинского метеорита. Его изучение до сих пор не закончено, ..
2014-01-16 1461 0 Научные открытия
0
Белорусские ученые получили эликсир молодости?
Ученые Национальной Академии наук Беларуси открыли секрет вечной молодости. Вещество, которое они получили в лаборатории, не позволяет клеткам стареть. И что самое интересное - лекарство от старости сделано из самых простых компонентов, известных почти каждому школьнику, отмечает корреспондент ..
2012-08-12 2584 0 Научные открытия
0
Нобелевская премия по химии досталась американцам
Два американца завоевали Нобелевскую премию в области химии за исследования того, как клетки в нашем теле воспринимают такие сигналы как гормоны, запахи, вкусы и свет. Их работа является ключевой для разработки более эффективных медикаментов. Эти сигналы принимаются специализированными протеинами на поверхности ..
2012-10-11 1722 0 Научные открытия
0
Ученые синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева
Немецким физикам удалось синтезировать 117-й элемент таблицы Менделеева, сообщает New Scientist. Данный элемент был открыт в 2009 году в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) и ранее уже был синтезирован учеными из России и США. Первоначально физики из Германии намеревались синтезировать 119-й элемент ..
2014-05-05 2419 0 Научные открытия
0
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 1464 0 Научные открытия
1
Объявлены лауреаты крупнейшей научной премии
9 ноября в бывшем ангаре НАСА в Калифорнии прошла церемония вручения крупнейшей (в денежном выражении) научной премии Breakthrough Prize. 12 ученых получили по три миллиона долларов, сообщает The Guardian. В отличие от Нобелевской премии, Breakthrough Prize вручают исследователям, только начавшим ..
2014-11-10 1622 0 Научные открытия
-1
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 1402 0 Научные открытия
0
Ученые добыли первые чистые стволовые клетки
Ученым удалось впервые получить чистые эмбриональные стволовые клетки, без загрязнения биологическим материалом. Первая чистая линия клеток - результат двенадцати лет работы Медицинского центра Университета Хадасса. Чистые клетки можно будет использовать для получения различных тканей человеческого ..
2012-07-4 1779 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 1763 0 Научные открытия
1