Det er et glimt af science fiction-faktum: Videnskabsfolk har skabt en ny form for lys, der en dag kunne bruges til at opbygge lette krystaller. Før Jedis ville være begyndt at kræve deres sabre, fremskridt er langt mere sandsynligt at føre til spændende nye måder at kommunikere og computere, rapporterer forskere denne uge i Science .
Lys består af fotoner - hurtige, små energipakker. Typisk interagerer fotoner overhovedet ikke med hinanden, og det er grunden til, at når man bruger lommelygter "ser du ikke lysstrålene sprænge af hinanden, du ser dem gå gennem hinanden, " forklarer Sergio Cantu, ph.d. kandidat i atomfysik ved Massachusetts Institute of Technology. I nye eksperimenter koxiserede fysikerne imidlertid individuelle fotoner for at hygge sig op til hinanden og sammenkæde, svarende til den måde, individuelle atomer klæber sammen i molekyler.
Fotondansen sker i et laboratorium på MIT, hvor fysikerne kører eksperimenter på bordpladen med lasere. Cantu, hans kollega Aditya Venkatramani, en ph.d. kandidat i atomfysik ved Harvard University, og deres samarbejdspartnere starter med at skabe en sky af kølet rubidiumatomer. Rubidium er et alkalimetal, så det typisk ligner et sølvhvidt fast stof. Men fordamper rubidium med en laser og holder det ultrakoldt skaber en sky forskerne indeholder i et lille rør og magnetiserer. Dette holder rubidiumatomer diffuse, langsomt bevægende og i en meget ophidset tilstand.
Derefter skyder teamet en svag laser mod skyen. Laseren er så svag, at bare en håndfuld fotoner kommer ind i skyen, forklarer en pressemeddelelse fra MIT. Fysikerne måler fotonerne, når de forlader den anden side af skyen, og det er når ting bliver underligt.
Normalt kører fotonerne med lysets hastighed - eller næsten 300.000 kilometer i sekundet. Men mens de passerer gennem skyen, kryber fotonerne langs 100.000 gange langsommere end normalt. I stedet for at forlade skyen tilfældigt, kommer fotonerne igennem i par eller tripletter. Disse par og tripletter afgiver også en anden energisignatur, et faseskift, der fortæller forskerne, at fotonerne interagerer.
”Oprindeligt var det uklart, ” siger Venkatramani. Holdet havde set to fotoner interagere før, men de vidste ikke, om tripletter var mulige. Når alt kommer til alt, forklarer han, et brintmolekyle er et stabilt arrangement af to hydrogenatomer, men tre hydrogenatomer kan ikke forblive sammen længere end en milliondel af et sekund. ”Vi var ikke sikre på, at tre fotoner ville være et stabilt molekyle eller noget, vi endda kunne se, ” siger han.
Overraskende opdagede forskerne, at gruppering af tre fotoner er endnu mere stabil end to. "Jo mere du tilføjer, desto stærkere er de bundet, " siger Venkatramani.
Men hvordan går fotonerne sammen? Fysikernes teoretiske model antyder, at når en enkelt foton bevæger sig gennem skyen af rubidium, humper den fra det ene atom til det andet, "som en bi, der flyver mellem blomster, " forklarer pressemeddelelsen. Ét foton kan kort binde til et atom og danne et hybridfotonatom eller polariton. Hvis to af disse polaritoner mødes i skyen, interagerer de. Når de når kanten af skyen, forbliver atomerne bagefter, og fotonerne sejler fremad, stadig bundet sammen. Tilføj flere fotoner, og det samme fænomen giver anledning til tripletter.
"Nu hvor vi forstår, hvad der fører til, at interaktioner er attraktive, kan du spørge: Kan du få dem til at afvise hinanden i stedet?" siger Cantu. Grundlæggende kan det at lege med interaktionen afsløre ny indsigt i, hvordan energi fungerer, eller hvor den kommer fra, siger han.
Med henblik på teknologiske fremskridt kan fotoner, der er bundet sammen på denne måde, bære information - en kvalitet, der er nyttig til kvanteberegning. Og kvantecomputering kunne føre til ufrakkelige koder, ultrapræcise ure, utroligt kraftige computere og mere. Det, der er så attraktivt ved kodning af information i fotoner, er, at fotoner kan transportere deres information over afstande meget hurtigt. Allerede fotoner fremskynder vores kommunikation langs fiberoptiske linjer. Bundne eller sammenfiltrede fotoner kunne transmittere kompleks kvanteinformation næsten øjeblikkeligt.
Holdet forestiller sig at kontrollere de attraktive og frastødende interaktioner mellem fotoner så præcist at de kunne arrangere fotoner i forudsigelige strukturer, der holder sammen som krystaller. Nogle fotoner ville afvise hinanden og skubbe fra hinanden, indtil de finder deres eget rum, mens andre holder på den større formation og holder de frastødende dem i at sprede sig. Deres mønstrede arrangement ville være en lys krystal. I en lys krystal, "hvis du ved, hvor den ene foton er, så ved du, hvor de andre er bag det, med lige store intervaller, " siger Venkatramani. "Dette kan være meget nyttigt, hvis du vil have kvantekommunikation med regelmæssige intervaller."
Den fremtid, som sådanne krystaller kunne muliggøre, kan virke mere tåbelig end en, hvor folk kæmper med lysskærme, men det kan holde fremskridtene endnu mere imponerende og ubeskedte endnu.
Redaktørens note: Denne historie er blevet korrigeret for at afspejle, at fotoner, ikke atomer, kommer ind i rubidiumskyen og deres hastighed sænker, mens de passerer.
