Prova ett snabbt experiment:Ta två ficklampor in i ett mörkt rum och lysa upp dem så att deras ljusstrålar korsar varandra. Lägg märke till något konstigt? Det ganska antiklimaktiska svaret är, antagligen inte. Det beror på att de individuella fotonerna som utgör ljus inte interagerar. Istället, de går helt enkelt förbi varandra, som likgiltiga andar i natten.

Men tänk om ljuspartiklar kunde fås att interagera, attraherar och stöter bort varandra som atomer i vanlig materia? En lockande, om än sci-fi-möjlighet:ljussabel - ljusstrålar som kan dra och trycka på varandra, gör för bländande, episka konfrontationer. Eller, i ett mer troligt scenario, två ljusstrålar kan mötas och smälta samman till en enda, lysande ström.

Det kan tyckas som om ett sådant optiskt beteende skulle kräva att fysikens regler böjas, men egentligen, forskare vid MIT, Harvard Universitet, och på andra håll har nu visat att fotoner verkligen kan fås att interagera - en prestation som kan öppna en väg mot att använda fotoner i kvantberäkningar, om inte i ljusa sablar.

I ett papper publicerat idag i tidningen Vetenskap , laget, ledd av Vladan Vuletic, Lester Wolfe professor i fysik vid MIT, och professor Mikhail Lukin från Harvard University, rapporterar att den har observerat grupper om tre fotoner som interagerar och, i själva verket, håller ihop för att bilda en helt ny sorts fotonisk materia.

I kontrollerade experiment, forskarna fann att när de lyste en mycket svag laserstråle genom ett tätt moln av ultrakalla rubidiumatomer, snarare än att lämna molnet som singel, slumpmässigt fördelade fotoner, fotonerna bundna ihop i par eller tripletter, föreslår någon form av interaktion - i det här fallet, attraktion - äger rum bland dem.

Medan fotoner normalt inte har någon massa och färdas vid 300, 000 kilometer per sekund (ljusets hastighet), forskarna fann att de bundna fotonerna faktiskt fick en bråkdel av en elektrons massa. Dessa nyligen nedtyngda lätta partiklar var också relativt tröga, reser omkring 100, 000 gånger långsammare än normala icke-interagerande fotoner.

Vuletic säger att resultaten visar att fotoner verkligen kan attrahera, eller trassla in varandra. Om de kan fås att interagera på andra sätt, fotoner kan utnyttjas för att prestera extremt snabbt, otroligt komplexa kvantberäkningar.

"Interaktionen mellan enskilda fotoner har varit en mycket lång dröm i decennier, " säger Vuletic.

Vuletics medförfattare inkluderar Qi-Yung Liang, Sergio Cantu, och Travis Nicholson från MIT, Lukin och Aditya Venkatramani från Harvard, Michael Gullans och Alexey Gorshkov vid University of Maryland, Jeff Thompson från Princeton University, och Cheng Ching från University of Chicago.

Större och större

Vuletic och Lukin leder MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, och tillsammans har de letat efter vägar, både teoretiska och experimentella, för att uppmuntra interaktioner mellan fotoner. Under 2013, ansträngningen gav resultat, som teamet observerade par av fotoner som interagerar och binder samman för första gången, skapa ett helt nytt tillstånd av materia.

I deras nya arbete, forskarna undrade om interaktioner kunde ske mellan inte bara två fotoner, men mer.

"Till exempel, du kan kombinera syremolekyler för att bilda O2 och O3 (ozon), men inte O4, och för vissa molekyler kan du inte ens bilda en trepartikelmolekyl, " Vuletic säger. "Så det var en öppen fråga:Kan du lägga till fler fotoner till en molekyl för att göra större och större saker?"

Att få reda på, teamet använde samma experimentella tillvägagångssätt som de använde för att observera två-fotoninteraktioner. Processen börjar med att kyla ett moln av rubidiumatomer till ultrakalla temperaturer, bara en miljondels grad över absoluta nollpunkten. Kylning av atomerna saktar ner till nästan stillastående. Genom detta moln av immobiliserade atomer, forskarna lyser sedan med en mycket svag laserstråle - så svag, faktiskt, att endast en handfull fotoner färdas genom molnet åt gången.

Forskarna mäter sedan fotonerna när de kommer ut på andra sidan av atommolnet. I det nya experimentet, de fann att fotonerna strömmade ut som par och trillingar, snarare än att lämna molnet med slumpmässiga intervaller, som enskilda fotoner som inte har något med varandra att göra.

Förutom att spåra antalet och hastigheten av fotoner, laget mätte fasen av fotoner, före och efter färd genom atommolnet. En fotons fas indikerar dess oscillationsfrekvens.

"Fasen berättar hur starkt de interagerar, och ju större fas, ju starkare de är sammanbundna, " förklarar Venkatramani. Teamet observerade att när tre-fotonpartiklar lämnade atommolnet samtidigt, deras fas förändrades jämfört med vad det var när fotonerna inte interagerade alls, och var tre gånger större än fasförskjutningen för tvåfotonmolekyler. "Detta betyder att dessa fotoner inte bara är var och en av dem som interagerar oberoende, men de samverkar starkt allihop."

Minnesvärda möten

Forskarna utvecklade sedan en hypotes för att förklara vad som kan ha fått fotonerna att interagera i första hand. Deras modell, baserad på fysiska principer, lägger fram följande scenario:När en enda foton rör sig genom molnet av rubidiumatomer, den landar kort på en närliggande atom innan den hoppar till en annan atom, som ett bi som fladdrar mellan blommor, tills den når andra änden.

Om en annan foton samtidigt färdas genom molnet, det kan också spendera lite tid på en rubidiumatom, bildar en polariton - en hybrid som är en del av foton, del atom. Då kan två polaritoner interagera med varandra via sin atomkomponent. Vid kanten av molnet, atomerna förblir där de är, medan fotonerna går ut, fortfarande sammanbundna. Forskarna fann att samma fenomen kan inträffa med tre fotoner, bildar ett ännu starkare band än interaktionerna mellan två fotoner.

"Det som var intressant var att dessa trillingar överhuvudtaget bildades, " Vuletic säger. "Det var inte heller känt om de skulle vara lika, mindre, eller starkare bundna jämfört med fotonpar."

Hela interaktionen inom atommolnet sker över en miljondels sekund. Och det är denna interaktion som triggar fotoner att förbli sammanbundna, även efter att de har lämnat molnet.

"Det som är snyggt med det här är att när fotoner går genom mediet, allt som händer i mediet, de "kommer ihåg" när de kommer ut, " säger Cantu.

Detta betyder att fotoner som har interagerat med varandra, i detta fall genom en attraktion mellan dem, kan ses som starkt korrelerade, eller entangled - en nyckelegenskap för vilken kvantberäkningsbit som helst.

"Foton kan färdas väldigt snabbt över långa avstånd, och människor har använt ljus för att överföra information, såsom i optiska fibrer, " säger Vuletic. "Om fotoner kan påverka varandra, sedan om du kan trassla in dessa fotoner, och det har vi gjort, du kan använda dem för att distribuera kvantinformation på ett intressant och användbart sätt."

Går framåt, teamet kommer att leta efter sätt att tvinga fram andra interaktioner som avstötning, där fotoner kan spridas från varandra som biljardbollar.

"Det är helt nytt i den meningen att vi ibland inte ens kvalitativt vet vad vi kan förvänta oss, " Vuletic säger. "Med avstötning av fotoner, kan de vara sådana att de bildar ett regelbundet mönster, som en kristall av ljus? Eller kommer något annat att hända? Det är väldigt okänt territorium."