Вещество из света

Исследуя необычные новые формы материи, ученые вплотную подошли к созданию из света связанных трехмерных структур. При взаимодействии таких структур кажется, что свет обладает массой и жесткостью. Вот они, световые мечи из сериала «Звездные войны» Джорджа Лукаса!

На протяжении десятилетий считалось, что лучи просто не могут взаимодействовать друг с другом. Если скрестить в какой-то точке два лазерных луча, световые пучки пройдут один сквозь другой, не замечая преград. Но ученым из США удалось показать, что лучи могут испытывать взаимовлияния.

Вспомним, что свет состоит из световых квантов — фотонов. Эти элементарные частицы не обладают массой покоя, что позволяет им двигаться в вакууме с умопомрачительной скоростью 299 792 458 м/с (предел, достичь которого не в силах ни один материальный объект во Вселенной). Чтобы заставить фотоны «чувствовать» друг друга, группа ученых под руководством профессоров Михаила Лукина из Гарвардского университета и Владана Вулетича (/1ас1ап Zuletic) из Массачусетского технологического института (США) использовала лазер, испускающий потоки фотонов в газовой среде, состоящей из атомов рубидия. Эту смесь охлаждали также лазерами до сверхнизких температур. Каждый отдельный фотон проходил через переохлажденный газ со значительно сниженной (по сравнению со световой в вакууме) скоростью — около 10ОО м/с. И когда исследователи запускали в газ примерно по одному и тому же пути сразу два фотона, те связывались в пары, создавая, по сути, световую молекулу.

Успех такого спаривания зависит от того, как именно два фотона движутся через газ. Попадая в облако, первый фотон возбуждает электронные оболочки в атомах. Но эти атомы не могут быть возбуждены повторно достаточно быстро, поэтому второй фотон теряет возможность следовать совершенно независимо. В итоге две частицы вынуждены путешествовать согласованно, возбуждая поочередно соседние атомы. Оказывается, это «взаимодействие» между ними с помощью среды так ощутимо, что может восприниматься как объединение в «фотонную молекулу». «Это можно считать новым состоянием материи», — утверждает профессор Вулетич.

Одно из приложений этого открытия в будущем может быть связано с использованием световых квантов вместо электроимпульсов в качестве основы квантового компьютера, оперирующего фотонами как битами информации. Такие системы, основанные на световых импульсах, считаются пока неэффективными — свет нужно преобразовывать в электросигналы каждый раз при обработке информации. Но когда фотоны научат взаимодействовать между собой, появятся и полностью оптические вычислители.

«Удивительно, какие открываются возможности по управлению фотонами», — говорит Вулетич. Следующим шагом для его группы станет попытка связать три или четыре фотона вместе. Есть также планы сделать световые кванты «взаимоотталкивающимися». Это позволит выстраивать фотоны в структуры, сооружая, например, световые кристаллы.