Foton-foton polaritoner:de spændende partikler, der dukker op, når to fotoner parrer sig

Forskere ved University of Bath i Storbritannien har fundet en måde at binde sammen to fotoner i forskellige farver, baner vejen for vigtige fremskridt inden for kvanteelektrodynamik - det videnskabsfelt, der beskriver, hvordan lys og stof interagerer. I tide, holdets resultater vil sandsynligvis påvirke udviklingen inden for optisk og kvantekommunikation, og præcisionsmålinger af frekvens, tid og afstande.

Æble og bølge:de har begge en masse

Et æble, der falder fra et træ, har hastighed og masse, som tilsammen giver det momentum. 'Æbleenergi' afledt af bevægelse afhænger af frugtens momentum og masse.

De fleste mennesker finder begrebet momentum og energi (og derfor masse) let at forstå, når det er forbundet med faste genstande. Men ideen om, at ikke-materielle genstande, såsom lysbølger (alt fra sollys til laserstråling), også have en masse er overraskende for mange. Blandt fysikere, imidlertid, det er et velkendt faktum. Denne tilsyneladende paradoksale idé om, at bølger har en masse, markerer det sted, hvor kvantefysik og den fysiske verden mødes.

Bølge-partikel dualiteten, foreslået af den franske fysiker Louis de Broglie i 1924, er et kraftfuldt koncept, der beskriver, hvordan enhver partikel eller kvantevæsen kan beskrives som enten en partikel eller en bølge. Mange såkaldte kvasipartikler er blevet opdaget, der kombinerer enten to forskellige typer stofpartikler, eller lysbølger bundet til en partikel af stof. En liste over eksotiske kvasipartikler inkluderer fononer, plasmoner, magnoner og polaritoner.

Holdet af fysikere på Bath har nu rapporteret en måde at skabe kvasipartikler, der binder sammen to forskelligt farvede lyspartikler. De har kaldt disse formationer foton-foton polaritoner.

Detektering af foton-foton polaritoner

Muligheden for at opdage, og manipulere, foton-fotoner er muligt takket være den relativt nye udvikling af højkvalitets mikroresonatorer. For lys, mikroresonatorer fungerer som miniature racerbaner, med fotoner, der lyner rundt om den indre struktur i løkker. Signaturen efterladt af foton-fotoner i lyset, der forlader mikroresonatoren, kan knyttes til Autler-Townes-effekten, et ejendommeligt fænomen i kvanteteorien, der beskriver stærke foton-atom-interaktioner. For at opnå denne effekt i mikroresonatorer, en laser er indstillet til den specifikke resonansfrekvens, hvor en foton forventes at blive absorberet, alligevel sker der ingen resonansabsorption. I stedet, foton-foton-interaktionen udgør to nye resonansfrekvenser væk fra den gamle.

Et væsentligt træk, der er kommet frem fra Bath-forskningen, er, at mikroresonatoren leverede et helt sæt splitresonanser, hvor hvert foton-foton-par viste sit eget momentum og energi, giver forskerne mulighed for at anvende kvasipartikelkonceptet og beregne masse. Ifølge forskernes forudsigelser, foton-fotoner er 1, 000+ gange lettere end elektroner.

Professor Dmitry Skryabin, fysikeren, der ledede forskningen, sagde:"Vi har nu en situation, hvor mikroresonatorer - som er objekter i millimeterskala - opfører sig som gigantiske atomer. Begrebet kunstige atomer vinder hurtigt indpas i mikrobølgernes kvanteelektrodynamik i superledende kredsløb, mens vi her ser på den lignende mulighed i det optiske frekvensområde.

"Den lille masse af foton-fotoner kan føre til yderligere udvikling af mange vigtige analogier mellem lys og væsker, hvor andre familier af kvasipartikler allerede er blevet brugt."

Ph.D. studerende Vlad Pankratov, der deltog i projektet, sagde:"Efter et år med at køre modeller og indsamle data, det er utroligt spændende fund for os. De potentielle anvendelser af vores resultater er i terabit- og kvanteoptiske kommunikationssystemer, og inden for præcisionsmålinger."

Artiklen "Photon-photon polaritons in χ(2) microresonators" er udgivet i Physical Review Research .