Новые подробности о преобразовании света в "кристаллическую" форму

Группе ученых из Принстонского университета удалось провести эксперимент по «кристаллизации» света (кратко об этом мы уже писали). Под этим термином понимается не просто пропускание лучей света через какой-нибудь прозрачный кристалл, ученым удалось фактически обездвижить фотоны света, зафиксировав их в определенных точках пространства, после чего всю эту систему можно рассматривать как своего рода «фотонный кристалл». Разработанные и использованные учеными экспериментальные технологии, позволившие реализацию такого немыслимого с точки зрения классической физики трюка, могут стать основой в создании множества видов экзотических материалов, которые найдут широкое применение в технике будущего.

Кроме этого, подобные исследования предоставили ученым множество новых данных в области физики конденсированной материи – одного из направлений фундаментальных исследований материи.

«В результате наших экспериментов нам удалось получить то, чего никто ни разу не наблюдал до последнего момента» – рассказывает Эндрю Хоук (Andrew Houck), профессор электротехники и член научной группы, проводившей данные исследования, – «Нам удалось заставить фотоны света вести себя абсолютно по-новому, превратиться в материю нового типа. И мы пока еще не знаем, в какие экзотические и неизведанные дебри физики нас могут завести дальнейшие исследования».

«Главной целью наших исследований являлось отнюдь не получение новой формы света. Мы разрабатываем технологии управления и регулирования направления передачи энергии на атомарном уровне» – рассказывает Хакан Тюречи (Hakan Tureci), – «Используя такие знания и технологии, мы можем оценить все процессы, происходящие внутри сложных материалов и разработать новые материалы из разряда "невозможных» материалов, существующие пока только в воображении ученых и обладающие набором уникальных физических, химических, оптических и других свойств".

Рис. 1.

Подход, использовавшийся учеными из Принстонского университета, заключается в создании микроскопической системы, моделирующей желаемое поведение на квантовом уровне. Естественно, возможности такой системы строго ограничены задачей, для выполнения которой она создается, но использование таких систем позволяет исследователям экспериментировать с квантовой механикой, обходя все проблемы и затруднения технического плана, с которыми сталкиваются разработчики квантовых вычислительных систем и другой квантовой техники.

Созданная исследователями квантовая система состоит приблизительно из 100 миллиардов атомов особого сверхпроводящего материала. Тем не менее, вся эта система действует как единый «искусственный атом» достаточно больших размеров, который воздействует на фотоны и заставляет их вести себя подобно частицам. И ученые поместили такой атом близ сверхпроводящего канала-световода, по которому перемещались фотоны света.

В обычных условиях фотоны света, благодаря своей волновой составляющей, не взаимодействуют друг с другом. Но, попав под влияние искусственного атома корпускулярные свойства фотонов выдвигаются на первый план и многократно усиливаются. Благодаря этому, фотоны начинают вести себя подобно частицам материи и достаточно интенсивно взаимодействовать друг с другом.

Рис. 2.

«Мы использовали смешение свойств фотонов и искусственного атома, благодаря чему мы добились достаточно сильного взаимодействия между фотонами» – рассказывает Дариус Садри (Darius Sadri), один из ученых, принимавших участие в данных исследованиях, – «Взаимодействующие фотоны тут же начинают демонстрировать коллективное поведение, родственное состоянию вещества различных жидкостей и кристаллов, которые являются объектами изучения физики конденсированного вещества».

Созданное учеными устройство искусственного атома является достаточно малым, оно контактирует с проводником фотонов всего в двух местах.

Тем не менее, возможностей этого простого устройства достаточно для получения «кристаллического» света и для проявления некоторых других эффектов. Но в ближайшем времени ученые собираются создать более сложные системы из искусственных атомов, которые будут по строению напоминать строение сложных молекул вещества. Взаимодействие фотонов света и сотен искусственных атомов, обладающих различными функциями, позволит ученым получить и исследовать еще более экзотические формы света, такие как супержидкости, изоляторы и топологические изоляторы.

«При помощи этих крошечных систем из искусственных атомов мы можем получить бесконечное множество экзотических физических эффектов» – рассказывает Джеймс Рэфтери (James Raftery), – «И среди всего количества этих эффектов, наверняка обнаружатся наиболее интересные эффекты, которые можно будет заставить работать во благо человечества в составе квантовых или фотонных компьютеров, в различном электронном и научном оборудовании».