Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) впервые заставили фотоны взаимодействовать с парами атомов. Этот прорыв важен для области квантовой электродинамики резонаторов (КЭД), передовой области, которая лежит в основе квантовых технологий.

Человечество двигается по пути к повсеместному использованию технологий основанных на квантовой физике. Но, чтобы достичь этого, сначала необходимо заставить свет взаимодействовать с материей — или, говоря точнее, фотоны с атомами. В некоторой степени за такие технологии отвечает передовая область квантовой электродинамики резонатора (КЭД). Сейчас она уже используется в квантовых сетях и квантовой обработке информации. Но предстоит еще долгий путь. Современные взаимодействия света и вещества ограничиваются отдельными атомами, что ограничивает способность человека изучать их в виде сложных систем, задействованных в квантовых технологиях.

В новой работе исследователи использовали Ферми-газ (или идеальный газ Ферми — Дирака). Это газ, состоящий из частиц, удовлетворяющих статистике Ферми — Дирака, то есть имеют малую массу и высокую концентрацию. Например, электроны в металле.

«В отсутствие фотонов газ можно получить в состоянии, когда атомы взаимодействуют друг с другом, образуя слабосвязанные пары — объясняет Жан-Филипп Бранту из Школы фундаментальных наук EPFL. — Когда свет попадает в газ, некоторые из этих пар превращаются в химически связанные молекулы, поглощаясь фотонами».

Ключевой концепцией нового эффекта является то, что он происходит «когерентно». Это значит, что фотон поглощается, чтобы превратить пару атомов в молекулу, затем испускается обратно и так несколько раз.

«Это значит, что система пара-фотон образует новый тип состояния частицы, которые мы называли „парными поляритон-поляритонными“ — объясняет ученый. — Это стало возможным системе, где фотоны заключены в одном месте, где им приходится сильно взаимодействовать с атомами».

Гибридные парные поляритоны приобретают некоторые свойства фотонов. Это значит, что их можно измерить оптическими методами. Они также приобретают некоторые свойства Ферми-газа, заключают ученые.

Некоторые из очень сложных свойств газа преобразуются в оптические свойства, которые можно измерить прямым способом, даже без нарушения системы. В будущем технология пригодится в квантовой химии: ученые впервые продемонстрировали, как некоторые химические реакции можно когерентно произвести с использованием одиночных фотонов.