Frastødende fotoner

Lyspartikler "føler" normalt ikke hinanden, fordi der ikke er nogen interaktion mellem dem. Det er nu lykkedes forskere ved ETH at manipulere fotoner inde i et halvledermateriale på en sådan måde, at de alligevel får dem til at frastøde hinanden.

To lysstråler, der krydser hinanden, afbøjer ikke hinanden. Det er fordi, ifølge kvantefysikkens love, der er ingen interaktion mellem lyspartikler eller fotoner. Derfor, ved en kollision passerer to fotoner simpelthen gennem hinanden i stedet for at hoppe af hinanden - medmindre man hjælper dem på en eller anden måde. Faktisk, forskere har længe forsøgt at finde teknikker til at få fotoner til at "føle" hinanden. Håbet er, at dette vil resultere i mange nye muligheder for forskning såvel som for praktiske anvendelser. Ataç Imamoğlu, professor ved Institute for Quantum Electronics ved ETH i Zürich, og hans samarbejdspartnere har nu taget et yderligere vigtigt skridt mod realiseringen af ​​stærkt interagerende fotoner. Deres forskningsresultater blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturmaterialer .

Transformation til polaritoner

"Fotoner med stærkt interagerende er noget af en hellig gral inden for vores forskningsfelt, fotonik ", forklarer Aymeric Delteil, der arbejder som post-doc i Imamoğlus laboratorium. For at få lyspartikler til at frastøde hinanden, han og hans kolleger skal gå lidt længere, selvom. Ved hjælp af en optisk fiber, de sender korte laserimpulser ind i en optisk resonator, indenfor, hvor lyset er stærkt fokuseret og endelig rammer et halvledermateriale. Dette materiale (fremstillet af Imamoğlus kolleger i Würzburg og St. Andrews i Skotland) afkøles inde i en kryostat - en slags ekstremt kraftfuld køleskab - ned til minus 269 grader celsius. Ved disse lave temperaturer kan fotonerne kombineres med elektroniske excitationer af materialet. Denne kombination resulterer i såkaldte polaritoner. I den modsatte ende af materialet bliver polaritonerne igen fotoner, som derefter kan forlade resonatoren.

Da der er elektromagnetiske kræfter, der virker mellem de elektroniske excitationer, der opstår også en vekselvirkning mellem polaritonerne. "Vi var i stand til at opdage det fænomen allerede for et stykke tid siden", siger Imamoğlu. "Imidlertid, på det tidspunkt var effekten så svag, at kun interaktionerne mellem et stort antal polaritoner spillede en rolle, men ikke den parvise frastødning mellem individuelle polaritoner. "

Korrelationer signalerer interaktioner

I deres nye eksperiment, forskerne var nu i stand til at demonstrere, at enkelte polaritoner - og derfor indirekte, fotoner indeholdt i dem - kan, Ja, interagere med hinanden. Dette kan udledes af den måde, hvorpå fotoner, der forlader resonatoren, korrelerer med hinanden. For at afsløre de såkaldte kvantekorrelationer, den ene måler sandsynligheden for, at en anden foton forlader resonatoren kort efter den anden. Hvis fotonerne kommer i vejen for hinanden gennem deres polaritoner inde i halvlederen, denne sandsynlighed vil være mindre end man ville forvente af ikke-interagerende fotoner.

I ekstreme tilfælde burde der endda være en "fotonblokade", en effekt, som Imamoğlu allerede postulerede for 20 år siden. En foton i halvlederen, der har skabt et polariton, forhindrer derefter fuldstændigt en anden foton i at komme ind i materialet og blive til et polariton selv. "Vi er ganske langt fra at indse dette", Imamoğlu indrømmer, "men i mellemtiden har vi forbedret yderligere på vores resultat, der netop er blevet offentliggjort. Det betyder, at vi er på rette vej." Imamoğlus langsigtede mål er at få fotoner til at interagere så stærkt med hinanden, at de begynder at opføre sig som fermioner-som kvantepartikler, med andre ord, der aldrig kan findes samme sted.

Interesse for stærkt interagerende polaritoner

I første omgang, Imamoğlu er ikke interesseret i applikationer. "Det er virkelig grundforskning, "siger han." Men vi håber på at kunne, en dag, at skabe polaritoner, der interagerer så stærkt, at vi kan bruge dem til at studere nye effekter i kvantefysik, som er vanskelige at observere på anden måde. "Fysikeren er især interesseret i situationer, hvor polaritonerne også er i kontakt med deres miljø og udveksler energi med det Den energiudveksling, kombineret med interaktionerne mellem polaritonerne, bør, ifølge beregninger af teoretiske fysikere. føre til fænomener, som der hidtil kun er rudimentære forklaringer på. Eksperimenter som dem udført af Imamoğlu kunne, derfor, hjælpe med at forstå de teoretiske modeller bedre.