Forskare vid University of Bath i Storbritannien har hittat ett sätt att binda ihop två fotoner i olika färger, banar väg för viktiga framsteg inom kvantelektrodynamik-det vetenskapsområde som beskriver hur ljus och materia interagerar. I tid, teamets resultat kommer sannolikt att påverka utvecklingen inom optisk och kvantkommunikation, och precisionsmätningar av frekvens, tid och avstånd.

Apple och wave:de har båda en massa

Ett äpple som faller från ett träd har hastighet och massa, som tillsammans ger det fart. 'Apple -energi' som härrör från rörelse beror på fruktens momentum och massa.

De flesta tycker att begreppet momentum och energi (och därför massa) är lätt att förstå när det är associerat med fasta föremål. Men tanken att icke-materiella objekt, såsom ljusvågor (allt från solljus till laserstrålning), har också en massa är förvånande för många. Bland fysiker, dock, det är ett välkänt faktum. Denna uppenbarligen paradoxala idé om att vågor har en massa markerar platsen där kvantfysik och den fysiska världen möts.

Vågpartikel-dualiteten, föreslagen av den franske fysikern Louis de Broglie 1924, är ett kraftfullt koncept som beskriver hur varje partikel eller kvantenhet kan beskrivas som antingen en partikel eller en våg. Många så kallade kvaspartiklar har upptäckts som kombinerar antingen två olika typer av materialpartiklar, eller ljusvågor bundna till en materialpartikel. En lista över exotiska kvasipartiklar inkluderar fononer, plasmoner, magnoner och polaritoner.

Teamet av fysiker på Bath har nu rapporterat ett sätt att skapa kvasipartiklar som binder ihop två olika färgade ljuspartiklar. De har döpt dessa formationer till foton-foton-polaritoner.

Detekterar foton-foton polaritoner

Möjligheten att upptäcka, och manipulera, foton-fotoner är möjliga tack vare den relativt nya utvecklingen av mikroresonatorer av hög kvalitet. För ljus, mikroresonatorer fungerar som miniatyrbanor, med fotoner som zippar runt den inre strukturen i slingor. Signaturen som lämnas av foton-fotoner i ljuset som lämnar mikroresonatorn kan kopplas till Autler-Townes-effekten, ett märkligt fenomen i kvantteorin som beskriver starka foton-atom-interaktioner. För att uppnå denna effekt i mikroresonatorer, en laser är inställd på den specifika resonansfrekvensen där en foton förväntas absorberas, men ingen resonansabsorption sker. Istället, foton-foton-interaktionen utgör två nya resonansfrekvenser bort från den gamla.

En viktig egenskap som har framkommit från Bath -forskningen är att mikroresonatorn gav en hel uppsättning delade resonanser, där varje foton-foton-par uppvisade sin egen fart och energi, låta forskarna tillämpa kvasipartikelkonceptet och beräkna massa. Enligt forskarnas förutsägelser, foton-fotoner är 1, 000+ gånger lättare än elektroner.

Professor Dmitry Skryabin, fysikern som ledde forskningen, sade:"Vi har nu en situation där mikroresonatorer-som är millimeterskaliga föremål-beter sig som jätteatomer. Konceptet artificiella atomer vinner snabbt mark i kvantelektrodynamiken för mikrovågor i supraledande kretsar, medan vi här tittar på liknande möjlighet inom det optiska frekvensområdet.

"Den lilla massan av foton-fotoner kan leda till ytterligare utveckling av många viktiga analogier mellan ljus och vätskor, där andra familjer av kvasipartiklar redan har använts. "

Ph.D. student Vlad Pankratov, som deltog i projektet, sade:"Efter ett år med att köra modeller och samla in data, det här är otroligt spännande fynd för oss. De potentiella tillämpningarna av våra resultat finns i terabit- och kvantoptiska kommunikationsscheman, och när det gäller precisionsmätningar. "

Papperet "Photon-photon polaritons in χ (2) microresonators" publiceras i Fysisk granskningsforskning .