Varje typ av atom i universum har ett unikt fingeravtryck:Den absorberar eller avger bara ljus vid de specifika energier som matchar de tillåtna banorna för dess elektroner. Det fingeravtrycket gör det möjligt för forskare att identifiera en atom var den än finns. En väteatom i yttre rymden absorberar ljus med samma energier som en på jorden.

Medan fysiker har lärt sig hur elektriska och magnetiska fält kan manipulera detta fingeravtryck, antalet funktioner som består av det förblir vanligtvis konstant. I arbete publicerad 3 juli i tidningen Natur , Forskare vid University of Chicago utmanade detta paradigm genom att skaka elektroner med lasrar för att skapa "dubbelgångare" -funktioner vid nya energier-ett genombrott som låter forskare skapa hybridpartiklar som är delatom och delljus, med en mängd olika nya beteenden.

Forskningen är en del av en större satsning inom Assoc. Prof. Jonathan Simons laboratorium för att bryta ner väggarna mellan materia och ljus, för att undersöka deras grundläggande egenskaper. Förutom att lära dig om hur material beter sig på kvantnivå, detta arbete kan en dag hjälpa till att skapa mer kraftfulla datorer eller praktiskt taget "ohackbar" kvantkommunikation.

Ett steg på vägen mot att göra materia ur ljus är att göra individuella ljuspaket, kallas fotoner, interagera med varandra som materia gör. (Normalt zippar fotoner med ljusets hastighet och reagerar inte alls på varandra.)

"För att få fotoner att kollidera med varandra, vi använder atomer som mellanrum, "sa postdoktoren Logan Clark, som ledde forskningen. "Men vi stötte på ett problem eftersom fotonerna bara interagerar med atomer vars elektroniska orbitaler har mycket speciella energier. Så vi frågade:Tänk om vi kunde göra kopior av orbitalerna med vilken energi vi än ville?"

Clark hade redan utvecklat tekniker för att manipulera kvantämnen genom att skaka den - kallad Floquet engineering - som en del av sin doktorsexamen. projekt. Den rätta skakningen ger naturligtvis kopior av kvanttillstånd vid flera energier längs vägen. "Vi hade alltid sett kopiorna som en bieffekt snarare än målet, " han sa, "men den här gången, vi skakade våra elektroner med den specifika avsikten att göra kopiorna. "

Genom att variera intensiteten hos ett laserfält som är just inställt på en atomresonans, laget kunde flytta orbitalen i en elektron. Att skaka orbitalerna genom att periodiskt variera denna intensitet gav de önskade kopiorna.

Men dessa dubbelgångare har en viktig fångst:"Medan atombanan uppträder vid flera olika energier, det är viktigt att notera att dessa kopior faktiskt är bundna till originalet som marionetter, "förklarade postdoktor Nathan Schine, medförfattare till studien. "När någon av kopiorna skiftar, originalet och alla andra kopior skiftar med det. "

Genom att låta fotoner interagera med dessa skakade atomer, teamet har skapat det de kallar "Floquet polaritons"-kvasipartiklar som är delljus och delatomer, och till skillnad från vanliga fotoner, interagera med varandra ganska starkt. Dessa interaktioner är viktiga för att göra materia från ljus. Att göra polaritoner med skakade atomer kan ge polaritonerna mycket mer flexibilitet att röra sig och kollidera med varandra på nya sätt.

"Floquet polaritons är fulla av överraskningar; vi fortsätter att förstå dem bättre, "Sa Clark." Vår nästa affärsordning, fastän, kommer att vara att använda dessa kolliderande fotoner för att göra topologiska 'vätskor' av ljus. Det är en oerhört spännande tid. "

Att ha kopior av ett atomtillstånd vid flera energier erbjuder också spännande möjligheter för optisk frekvensomvandling - ett viktigt verktyg för att skapa säkra kvantkommunikationsmetoder.

"Det visar sig att det inte bara är roligt att skaka saker, men kan leda till en riktigt fascinerande vetenskap, "Sa Clark.