Lätta partiklar "känner" normalt inte varandra eftersom det inte finns någon interaktion mellan dem. Forskare vid ETH har nu lyckats manipulera fotoner inuti ett halvledarmaterial på ett sådant sätt att de ändå stöter bort varandra.

Två ljusstrålar som korsar varandra avleder inte varandra. Det beror på att, enligt kvantfysikens lagar, det finns ingen interaktion mellan ljuspartiklar eller fotoner. Därför, vid en kollision passerar två fotoner helt enkelt genom varandra istället för att studsa av varandra - om man inte hjälper dem på något sätt. Faktiskt, forskare har länge försökt hitta tekniker för att få fotoner att "känna" varandra. Förhoppningen är att detta kommer att resultera i många nya möjligheter för forskning såväl som för praktiska tillämpningar. Ataç Imamoğlu, professor vid Institute for Quantum Electronics vid ETH i Zürich, och hans medarbetare har nu tagit ytterligare ett viktigt steg mot förverkligandet av starkt interagerande fotoner. Deras forskningsresultat publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturmaterial .

Omvandling till polaritoner

"Fotoner med starkt interagerande är något av en helig gral inom vårt forskningsområde, fotonik ", förklarar Aymeric Delteil, som arbetar som post-doc i Imamoğlus laboratorium. För att få ljuspartiklar att stöta bort varandra, han och hans kollegor måste gå lite långt, fastän. Med hjälp av en optisk fiber, de skickar korta laserpulser till en optisk resonator, inuti vilken ljuset är starkt fokuserat och slutligen träffar ett halvledarmaterial. Det materialet (producerat av Imamoğlus kollegor i Würzburg och St. Andrews i Skottland) kyls inuti en kryostat - ett slags extremt kraftfullt kylskåp - ner till minus 269 grader Celsius. Vid dessa låga temperaturer kan fotonerna kombineras med elektroniska excitationer av materialet. Den kombinationen resulterar i så kallade polaritoner. I motsatt ände av materialet blir polaritoner igen fotoner, som sedan kan lämna resonatorn.

Eftersom det finns elektromagnetiska krafter som verkar mellan de elektroniska excitationerna, en växelverkan uppstår också mellan polaritonerna. "Vi kunde upptäcka detta fenomen redan för ett tag sedan", säger Imamoğlu. "Dock, på den tiden var effekten så svag att endast växelverkan mellan ett stort antal polaritoner spelade roll, men inte den parvisa avstötningen mellan enskilda polaritoner. "

Korrelationer signalerar interaktioner

I deras nya experiment, forskarna kunde nu visa att enda polaritoner - och därför indirekt, fotonerna i dem - kan, verkligen, interagera med varandra. Detta kan härledas från det sätt på vilket fotonerna som lämnar resonatorn korrelerar med varandra. För att avslöja de så kallade kvantkorrelationerna, en mäter sannolikheten för att en andra foton lämnar resonatorn strax efter den andra. Om fotonerna kommer i vägen för varandra genom sina polaritoner inuti halvledaren, att sannolikheten blir mindre än man kan förvänta sig av icke-interagerande fotoner.

I extremfallet bör det till och med vara en "fotonblockad", en effekt som Imamoğlu redan postulerade för 20 år sedan. En foton i halvledaren som har skapat en polariton förhindrar då helt att en andra foton kommer in i materialet och förvandlas till en polariton själv. "Vi är ganska långt från att inse detta", Imamoğlu erkänner, "men under tiden har vi förbättrat vårt resultat som just har publicerats ytterligare. Det betyder att vi är på rätt väg." Imamoğlus långsiktiga mål är att få fotoner att interagera så starkt med varandra att de börjar bete sig som fermioner-som kvantpartiklar, med andra ord, som aldrig kan hittas på samma plats.

Intresse för starkt interagerande polaritoner

I det första fallet, Imamoğlu är inte intresserad av applikationer. "Det är verkligen grundforskning, " säger han. "Men vi hoppas kunna, en dag, att skapa polaritoner som interagerar så starkt att vi kan använda dem för att studera nya effekter inom kvantfysiken som är svåra att observera annars." Fysikern är särskilt intresserad av situationer där polaritonerna också är i kontakt med sin miljö och utbyter energi med den. Det där energiutbytet, kombinerat med interaktionerna mellan polaritonerna, skall, enligt beräkningar av teoretiska fysiker. leda till fenomen som det hittills bara finns rudimentära förklaringar till. Experiment som de som utförts av Imamoğlu kan, därför, hjälpa till att förstå de teoretiska modellerna bättre.