Прорив у науці – науковці створили речовину зі світла.
Створити речовину з електронів, протонів і нейтронів не так-то й складно – потрібно домогтися того, щоб вони “склалися” в атоми, з яких потім вже слід робити молекули, основу будь-якої речовини. Але от чи можна створити речовину зі світла, яке, як ми пам’ятаємо, складається з фотонів? Нещодавно американські вчені з’ясували, що таке цілком можливо.
Думаю, багато хто з тих, хто дивився відому космічну сагу Джорджа Лукаса “Зоряні війни”, виявили здивування, коли бачили, як герої цієї епопеї починають битися один з одним на світлових мечах. Дійсно, чому під час удару одного фотонного клинка об інший вони поводяться як звичайні мечі, а не вільно проходять один крізь одного? Адже, як знають усі, хто відвідував в школі уроки фізики, фотон не володіє масою – на відміну від тих же електронів, протонів і нейтронів. А значить, потік світла не може ніяк затримати аналогічний промінь, при зустрічі один з одним фотони просто інтерферують і все.
Саме тому довгий час учені вважали, що ці частки неможливо об’єднати в структури, аналогічні атомам і молекулам – не володіючи ні зарядом, ні масою, фотони просто не зможуть ніяк “склеїтися” у щось подібне. Проте нещодавно фізики з США, серед яких був Михайло Лукін з Гарвардського університету і Владан Вулетіч з Массачусетського технологічного інституту, змогли створити оригінальну молекулу з фотонів.
Для того, щоб створити подібну структуру, дослідники спочатку сформували умови, за яких фотони змогли б досить сильно взаємодіяти один з одним. Вони помістили атоми рубідію у вакуумну камеру, де вони охолоджувалися до температури в кілька кельвінів – майже до абсолютного нуля. Потім слабкими лазерними імпульсами в хмарку цих атомів “закидали” окремі фотони. У результаті вчені побачили, що останні, стикаючись з холодними атомами, віддавали майже всю енергію. Цілком очевидно, що фотони після цього різко сповільнювали свій рух.
А от далі починалося найцікавіше – у міру просування фотона через хмару рубідієвих атомів його енергія передавалася як би паралельно йому самому. Тобто вона спочатку “кочувала” від атома до атома в тому ж напрямку, в якому йшов і фотон, а наприкінці взагалі покидала хмарку з тим же самим фотоном.
Таким чином, останній на виході рухався з тією ж швидкістю, що і на вході. У принципі, нічого незвичайного в такій поведінці частинки нема – як відомо, у фотонів, що входять з променем світла в склянку з водою, теж “забирається” частина енергії, яка “повертається” їм без залишку на виході (виникає аналогія з вилученням вогнепальної зброї перед входом, наприклад в нічний клуб в США і видачею його відвідувачу, коли він покидає заклад). Різниця лише в тому, що середовище з гранично холодних рубідієвих атомів відбирає у фотонів куди більше енергії.
І ось, зареєструвавши цей ефект, вчені поставили цікавий експеримент – вони запустили в хмарку холодних атомів одночасно відразу два фотони. У результаті було встановлено, що вони покинули цю хмарку разом, практично як одна “молекула”, що складається з двох атомів. Але чому ж це сталося? Дослідники стверджують, що в даній ситуації спрацював механізм, що носить назву “рідберговська блокада”. Суть його полягає в наступному – коли один атом приходить в збудження, то його “побратим”, що є найближчим до нього, не може збудитися до тієї ж міри .
У результаті такої блокади, на думку вчених, відбулося наступне – коли один фотон увійшов до хмарки, то він передав свою енергію найближчого атому, який збудився. Але сам фотон при цьому просунувся вперед ще до того, як його “колега” порушив другий атом. Але другий фотон, що летить поруч, не зможе зробити збудження свого атома великим, як це зробив перший – через ту саму рідберговську блокаду, тому він постійно буде йти “в хвості” свого “напарника”. А оскільки енергія першого фотона передається від атома до атома, немов в естафеті, то він і його відсталий “побратим” будуть увесь час рухатися разом, тобто перебуваючи при цьому в тісній взаємодії.
“Це фотонна взаємодія, яка реалізується за допомогою атомної. Вона змушує пару фотонів вести себе подібно молекулі, і потім, коли вони залишають область холодних атомів, куди ймовірніше, що вони зроблять це разом, а не у вигляді окремих частинок”, – говорить провідний автор дослідження професор Михайло Лукін. При цьому вчений додав, що, на превеликий жаль шанувальників “Зоряних воєн”, зробити таким чином щось на зразок джедайського меча не вийде: “Аналогія зі світловими мечами не буде недоречною, оскільки коли такі фотони взаємодіють, вони відштовхуються, чинячи опір один одному. Фізика, що відбувається з подібними фотонними молекулами, швидше схожа з тією, яку ми спостерігаємо в кіно”.
Однак, яким же чином можна використовувати таку незвичайну фотонну “молекулу”? Дослідники вважають, що, оскільки фотони вважаються кращим засобом передачі квантової інформації, ідеально відповідним для реалізації квантових комп’ютерів, їх взаємодія може викликати той самий стан заплутування, який розробникам цієї машини майбутнього довго не вдавалося реалізувати на практиці. Адже основною перешкодою на шляху до цього було те, що фотони не взаємодіють один з одним, а поодинокі кванти комп’ютер не зміг би ефективно обробляти. І хоча, звичайно ж, про створення логічного затвора для квантового комп’ютера говорити поки рано, проте дослідження Лукіна, Вулетіча та їхніх колег показало, що домогтися цього на практиці вже цілком можливо…
