Фотонная молекула - Photonic molecule
Фотонные молекулы - это теоретическая естественная форма материи, которая также может быть создана искусственно, 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 действуют так, как будто у них есть масса». В альтернативном определении (которое не эквивалентно) фотоны, ограниченные двумя или более связанными оптическими полостями, также воспроизводят физику взаимодействующих уровней энергии атомов и называются фотонными молекулами.
Исследователи провели аналогии между этим явлением и вымышленным « световым мечом » из « Звездных войн» .
Строительство
Атомы газообразного рубидия откачивались в вакуумную камеру. Облако охлаждали с помощью лазеров до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Используя слабые лазерные импульсы, небольшое количество фотонов было выпущено в облако.
Когда фотоны входили в облако, их энергия возбуждала атомы на своем пути, заставляя их терять скорость. Внутри облачной среды фотоны дисперсионно связываются с сильно взаимодействующими атомами в высоковозбужденных ридберговских состояниях . Это заставило фотоны вести себя как массивные частицы с сильным взаимным притяжением (молекулы фотонов). В конце концов фотоны вышли из облака вместе как обычные фотоны (часто запутанные попарно).
Эффект вызван так называемой ридберговской блокадой , которая в присутствии одного возбужденного атома предотвращает возбуждение соседних атомов 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 соседние атомы. По сути, два фотона толкают и тянут друг друга через облако, поскольку их энергия передается от одного атома к другому, заставляя их взаимодействовать. Это фотонное взаимодействие опосредуется электромагнитным взаимодействием между фотонами и атомами.
Возможные применения
Взаимодействие фотонов предполагает, что этот эффект можно использовать для создания системы, которая может сохранять квантовую информацию и обрабатывать ее с помощью квантовых логических операций.
Система также может быть полезна в классических вычислениях, учитывая гораздо меньшую мощность, необходимую для манипулирования фотонами, чем электронами.
Возможно, удастся расположить фотонные молекулы в среде таким образом, чтобы они образовывали более крупные двумерные структуры (аналогично рисункам).
Взаимодействующие оптические резонаторы как фотонные молекулы
Термин фотонная молекула также используется с 1998 года для обозначения не связанного с этим явления, вовлекающего электромагнитно взаимодействующие оптические микрополости. Свойства квантованных состояний ограниченных фотонов в оптических микро- и нанополостях очень похожи на свойства состояний ограниченных электронов в атомах. Благодаря этому сходству оптические микрополости можно назвать «фотонными атомами». Если продолжить эту аналогию, кластер из нескольких взаимно связанных фотонных атомов образует фотонную молекулу. Когда отдельные фотонные атомы находятся в непосредственной близости, их оптические моды взаимодействуют и порождают спектр гибридизированных супер-мод фотонных молекул. Это очень похоже на то, что происходит, когда две изолированные системы связаны, как две атомные орбитали водорода, соединяющиеся вместе, чтобы сформировать связывающие и разрыхляющие орбитали молекулы водорода , которые представляют собой гибридизированные супер-моды всей связанной системы.
«Кусок полупроводника микрометрового размера может улавливать фотоны внутри себя таким образом, что они действуют как электроны в атоме. Теперь в PRL от 21 сентября описывается способ соединения двух этих« фотонных атомов ». Результат такого взаимодействия близкое родство - это «фотонная молекула», чьи оптические моды очень похожи на электронные состояния двухатомной молекулы, такой как водород ». «Фотонные молекулы, названные по аналогии с химическими молекулами, представляют собой кластеры близко расположенных электромагнитно взаимодействующих микрополостей или« фотонных атомов »». «Оптически связанные микрополости превратились в фотонные структуры с многообещающими свойствами как для фундаментальных исследований, так и для приложений».
Первой фотонной реализацией двухуровневой системы фотонной молекулы был Спрев и др., Которые использовали оптические волокна для создания кольцевого резонатора , хотя они не использовали термин «фотонная молекула». Две моды, образующие молекулу, могут быть тогда поляризационными модами кольца или модами кольца по и против часовой стрелки. За этим последовала демонстрация фотонной молекулы, изготовленной литографическим способом, вдохновленной аналогией с простой двухатомной молекулой. Однако были предложены и другие природные структуры PM (такие как «фотонный бензол»), которые поддерживают ограниченные оптические моды, очень похожие на молекулярные орбитали в основном состоянии их химических аналогов.
Фотонные молекулы обладают преимуществами перед изолированными фотонными атомами в различных приложениях, включая био (химическое) зондирование, оптомеханику резонаторов и микролазеры. Фотонные молекулы также могут использоваться в качестве квантовых симуляторов физики многих тел и в качестве строительных блоков будущей оптической квантовой информации. обрабатывающие сети.
По полной аналогии кластеры металлических наночастиц, которые поддерживают ограниченные поверхностные плазмонные состояния, были названы «плазмонными молекулами».
Наконец, гибридные фотонно-плазмонные (или оптоплазмонные) молекулы также были предложены и продемонстрированы.