Vedci z Riceovej univerzity si pripísali na konto pozoruhodný prelom vo svete kvantovej fyziky. Podarilo sa im dosiahnuť ultrasilné prepojenie medzi fotónmi v špeciálne navrhnutej 3D dutine, a to pomocou interakcie so samotnou hmotou.

Táto tzv. fotónová väzba, sprostredkovaná elektrónmi, by mohla znamenať zásadný krok vpred pre kvantové počítače, optické senzory aj nové komunikačné technológie, píše Interesting Engineering.

Unikátna fotonická dutina

Kľúčom k tomuto objavu bola unikátna 3D fotonická kryštalická dutina, ktorú tím vedcov navrhol tak, aby v nej svetlo neunikalo von, ale odrážalo sa vo vopred určených vzoroch – tzv. módach dutiny.

„Predstavte si miestnosť plnú zrkadiel. Keď v nej rozsvietite baterku, svetlo sa bude odrážať dookola bez konca. Presne takto funguje optická dutina – štruktúra, ktorá zachytáva svetlo medzi odrazovými povrchmi a umožňuje mu odrážať sa v špecifických vzorcoch,“ priblížil predstavu Fuang Tay, doktorand a vedúci výskumu.

Tieto vzorce sú nesmierne dôležité pri štúdiu interakcie medzi svetlom a hmotou, pretože ovplyvňujú, ako sa svetlo správa a ako sa viaže s elektrónmi, atómami či inými časticami. A práve touto cestou vedci dokázali vytvoriť tzv. polaritóny – kvázipartikuly, ktoré vznikajú spojením svetla a hmoty.

„Je známe, že elektróny navzájom silno interagujú, no fotóny nie. Táto dutina však koncentruje svetlo natoľko, že výrazne zosilňuje elektromagnetické polia a vedie k silnému prepojeniu medzi svetlom a hmotou, čím vznikajú kvantové superpozície – polaritóny,“ vysvetlil profesor Junichiro Kono, spoluautor štúdie.

Terahertzové žiarenie odhalilo ultrasilné prepojenie

Pri experimentoch za pomoci terahertzového žiarenia a pri extrémne nízkych teplotách vedci skúmali, ako sa jednotlivé svetelné módy správajú v interakcii s elektrónmi. Objavili fenomén ultrasilného prepojenia – teda stav, kde svetelné módy a elektróny interagujú tak intenzívne, že vznikajú úplne nové hybridné stavy. Zaujímavé bolo, že toto správanie záviselo od polarizácie svetla – teda smeru, ktorým svetlo prichádzalo. Niekedy sa módy držali oddelene, inokedy sa spojili a vytvorili nové kombinované módy.

„To naznačuje, že môžeme vytvoriť materiály, v ktorých sa rôzne módy dutiny môžu navzájom ‘rozprávať’ cez elektróny v magnetickom poli a vytvárať nové korelované stavy,“ dodal Tay.

IBM/Yun-Yi Pai/ORNL

Fotóny začali v dutine interagovať cez hmotu

No úplný zlom prišiel v momente, keď tím z Riceovej univerzity zistil, že cez túto interakciu môžu medzi sebou komunikovať samotné fotóny. Inými slovami – fotóny, ktoré za normálnych okolností medzi sebou nijako nereagujú, sa v tejto 3D dutine začali ovplyvňovať cez hmotu, čo sa doteraz podarilo dosiahnuť len veľmi výnimočne.

„Táto realizácia – že náš systém môže viesť k interakcii medzi fotónmi sprostredkovanej hmotou – bola pre nás skutočným ‚aha momentom‘,“ prezradil profesor Andrey Baydin, ďalší z autorov štúdie.

Profesor Kono doplnil, že takáto interakcia môže byť základom pre nové algoritmy a protokoly v kvantovom výpočtovom svete a kvantovej komunikácii. Aby lepšie pochopili, čo sa v dutine deje, vytvorili vedci aj počítačovú simuláciu, ktorá presne kopíruje výsledky experimentu. Táto simulácia bude cenným nástrojom pre ďalší výskum a vývoj efektívnejších kvantových technológií.

Štúdia bola publikovaná v prestížnom vedeckom časopise Nature Communications a predstavuje významný krok k vytvoreniu praktických kvantových zariadení budúcnosti.

Čítajte viac z kategórie: Novinky