Forskere kombinerer lys og stof for at lave partikler med ny adfærd

Hver type atom i universet har et unikt fingeraftryk:Det absorberer eller udsender kun lys ved de særlige energier, der matcher de tilladte baner for dets elektroner. Det fingeraftryk gør det muligt for forskere at identificere et atom, uanset hvor det findes. Et brintatom i det ydre rum absorberer lys med de samme energier som et på Jorden.

Mens fysikere har lært, hvordan elektriske og magnetiske felter kan manipulere dette fingeraftryk, antallet af funktioner, der udgør det, forbliver normalt konstant. I arbejde offentliggjort 3. juli i tidsskriftet Natur , Forskere fra University of Chicago udfordrede dette paradigme ved at ryste elektroner med lasere for at skabe "dobbeltganger" -funktioner ved nye energier-et gennembrud, der lader forskere skabe hybridpartikler, der er del-atom og del-lys, med en bred vifte af ny adfærd.

Forskningen er en del af en større indsats i Assoc. Prof. Jonathan Simons laboratorium til at nedbryde væggene mellem stof og lys, for at undersøge deres grundlæggende egenskaber. Ud over at lære om, hvordan materialer opfører sig på kvanteniveau, dette arbejde kunne en dag hjælpe med at skabe mere kraftfulde computere eller praktisk talt "unhackable" kvantekommunikation.

Et skridt på vejen til at gøre stof ud af lys er at lave individuelle pakker af lys, kaldet fotoner, interagere med hinanden som stof gør. (Normalt glider fotoner med lysets hastighed og reagerer slet ikke på hinanden.)

"For at få fotoner til at kollidere med hinanden, vi bruger atomer som mellemrum, "sagde postdoktorforsker Logan Clark, der ledede forskningen. "Men vi løb ind i et problem, fordi fotonerne kun interagerer med atomer, hvis elektroniske orbitaler er ved meget bestemte energier. Så vi spurgte:Hvad nu, hvis vi kunne lave kopier af orbitalerne med de energier, vi ville have?"

Clark havde allerede udviklet teknikker til at manipulere kvantestof ved at ryste det - kaldet Floquet engineering - som en del af sin ph.d. projekt. Den rigtige form for rystning producerer naturligt kopier af kvantetilstande ved flere energier undervejs. "Vi havde altid set kopierne som en bivirkning frem for målet, " han sagde, "men denne gang vi rystede vores elektroner med den specifikke hensigt at lave kopierne."

Ved at variere intensiteten af ​​et laserfelt, der er indstillet præcist til en atomresonans, holdet var i stand til at flytte en elektrons orbitaler. Rystning af orbitalerne ved periodisk at variere denne intensitet frembragte de ønskede kopier.

Men disse dobbeltgængere har en vigtig fangst:"Mens atombanen forekommer ved flere forskellige energier, det er vigtigt at bemærke, at disse kopier faktisk er bundet til originalen som dukker, "forklarede postdoktorforsker Nathan Schine, en medforfatter på undersøgelsen. "Når nogen af ​​kopierne skifter, originalen og alle de andre kopier skifter med den."

Ved at lade fotoner interagere med disse rystede atomer, holdet har skabt, hvad de kalder "Floquet polaritons" - kvasipartikler, som er delvist lys og delvist atom, og i modsætning til almindelige fotoner, interagerer ret stærkt med hinanden. Disse interaktioner er essentielle for at lave stof ud fra lys. At lave polaritoner med rystede atomer kan give polaritonerne meget mere fleksibilitet til at bevæge sig rundt og kollidere med hinanden på nye måder.

"Floquet polaritons er fulde af overraskelser; vi fortsætter stadig med at forstå dem bedre, "Sagde Clark." Vores næste forretningsorden, selvom, vil være at bruge disse kolliderende fotoner til at lave topologiske 'væsker' af lys. Det er en enormt spændende tid."

At have kopier af en atomtilstand ved flere energier giver også spændende muligheder for optisk frekvenskonvertering - et vigtigt værktøj til at skabe sikre kvantekommunikationsmetoder.

"Det viser sig at det ikke kun er sjovt at ryste ting, men kan føre til en virkelig fascinerende videnskab, " sagde Clark.