Фотонная молекула

Фотонные молекулы — это форма материи, в которой фотоны связываются вместе, образуя « молекулы ». Впервые они были предсказаны в 2007 году. Фотонные молекулы образуются, когда отдельные (безмассовые) фотоны «взаимодействуют друг с другом настолько сильно, что ведут себя так, как если бы они имели массу». В альтернативном определении (которое не является эквивалентным) фотоны, заключенные в двух или более связанных оптических полостях, также воспроизводят физику взаимодействующих атомных энергетических уровней и называются фотонными молекулами.

Исследователи провели аналогии между этим явлением и вымышленным « световым мечом » из «Звездных войн» .

Строительство

Газообразные рубидия атомы закачивались в вакуумную камеру. Облако было охлаждено с помощью лазеров до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. С помощью слабых лазерных импульсов в облако было выпущено небольшое количество фотонов.

Когда фотоны вошли в облако, их энергия возбуждала атомы на их пути, заставляя их терять скорость. Внутри облачной среды фотоны дисперсионно связаны с сильно взаимодействующими атомами в высоковозбужденных ридберговских состояниях . Это заставило фотоны вести себя как массивные частицы с сильным взаимным притяжением (фотонные молекулы). В конце концов фотоны покинули облако вместе как обычные фотоны (часто спутанные парами).

Эффект обусловлен так называемой ридберговской блокадой , которая при наличии одного возбужденного атома не дает соседним атомам возбуждаться в одинаковой степени. В этом случае, когда два фотона входят в атомное облако, первый возбуждает атом, аннигилируя при взаимодействии, но переданная энергия должна двигаться вперед внутри возбужденного атома, прежде чем второй фотон сможет возбудить близлежащие атомы. По сути, два фотона толкают и тянут друг друга через облако, когда их энергия передается от одного атома к другому, заставляя их взаимодействовать. Это фотонное взаимодействие опосредовано электромагнитным взаимодействием между фотонами и атомами.

Возможные применения

Взаимодействие фотонов предполагает, что этот эффект можно использовать для создания системы, которая сможет сохранять квантовую информацию и обрабатывать ее с помощью операций квантовой логики.

Система также может быть полезна в классических вычислениях, учитывая гораздо меньшую мощность, необходимую для управления фотонами, чем электронами.

Возможно, удастся расположить фотонные молекулы внутри среды таким образом, чтобы они образовывали более крупные двумерные структуры (похожие на рисунки).

Взаимодействующие оптические резонаторы как фотонные молекулы

Термин «фотонная молекула» также используется с 1998 года для обозначения несвязанного явления, связанного с электромагнитно взаимодействующими оптическими микрорезонаторами. Свойства квантованных состояний удержания фотонов в оптических микро- и нанорезонаторах очень похожи на свойства состояний удержания электронов в атомах. Благодаря этому сходству оптические микрорезонаторы можно назвать «фотонными атомами». Продолжая эту аналогию, можно сказать, что кластер из нескольких взаимно связанных фотонных атомов образует фотонную молекулу. Когда отдельные фотонные атомы оказываются в непосредственной близости, их оптические моды взаимодействуют и порождают спектр гибридизированных супермод фотонных молекул. Это очень похоже на то, что происходит, когда две изолированные системы соединяются, например, две орбитали атомов водорода собираются вместе, образуя связывающую и разрыхляющую орбитали молекулы водорода , которые представляют собой гибридизированные супермоды всей связанной системы.

«Кусок полупроводника микрометрового размера может улавливать фотоны внутри себя таким образом, что они действуют как электроны в атоме. Теперь PRL от 21 сентября описывает способ связать два из этих «фотонных атомов» вместе. Результат такого Тесное родство — это «фотонная молекула», оптические режимы которой очень похожи на электронные состояния двухатомной молекулы, такой как водород». «Фотонные молекулы, названные по аналогии с химическими молекулами, представляют собой скопления близко расположенных электромагнитно взаимодействующих микрополостей или «фотонных атомов».» «Оптически связанные микрорезонаторы возникли как фотонные структуры с многообещающими свойствами как для фундаментальных исследований, так и для приложений».

Первую фотонную реализацию двухуровневой системы фотонной молекулы осуществили Спрею и др., которые использовали оптические волокна для реализации кольцевого резонатора , хотя и не использовали термин «фотонная молекула». Тогда две моды, образующие молекулу, могут быть модами поляризации кольца или модами кольца по часовой стрелке и против часовой стрелки. За этим последовала демонстрация фотонной молекулы, изготовленной литографическим способом, вдохновленная аналогией с простой двухатомной молекулой. Однако были предложены и другие природные структуры ПМ (такие как «фотонный бензол»), которые поддерживают ограниченные оптические моды, близко аналогичные молекулярным орбиталям основного состояния их химических аналогов.

Фотонные молекулы имеют преимущества перед изолированными фотонными атомами в различных приложениях, включая био(химическое) зондирование, оптомеханика полостей, и микролазеры, Фотонные молекулы также могут использоваться в качестве квантовых симуляторов физики многих тел и в качестве строительных блоков будущих сетей оптической квантовой обработки информации.

По полной аналогии кластеры металлических наночастиц , которые поддерживают ограниченные поверхностные плазмонные состояния, были названы «плазмонными молекулами».

Наконец, гибридный фотонно-плазмонный (или опто-плазмонный) и эластичные молекулы также были предложены и продемонстрированы.

См. также

• Светоносный эфир
• Фотолюминесценция