تولید نوع عجیبی از نور مولکولی با استفاده از سه فوتون

پنج سال پیش فیزیکدانان MIT و هاروارد، بر‌هم کنش غیرممکنی را ممکن کردند. آن‌ها یک جفت فوتون را وادار به بر‌هم کنش با فوتون دیگری کردند. این کار تا آن زمان غیر ممکن به‌نظر می‌رسید.

زمانی که به چنین دستاورد مهمی برسید چه خواهید کرد؟ مسلما سعی می‌کنید فوتون سوم را اضافه کنید. چشم امید تمام جهان برای انجام محاسبات و پردازش‌ها‌ی کامپیوتری به نور است. به همین دلیل پژوهشگران علاقه‌مند به کشف راه‌ها‌یی برای دستکاری فوتون‌ها هستند.

در بیش‌تر موارد، ذرات بدون جرم تشکیل‌دهنده‌ی طیف امواج الکترومغناطیسی (فوتون‌ها)، با یکدیگر کاری ندارند و بر‌هم کنش نمی‌کنند. ما عموما اتم‌ها را به‌یکدیگر برخورد می‌دهیم تا از بررسی نتایج حاصل بتوانیم به فیزیک جدید دست پیدا کنیم. اما این موضوع برای فوتون‌ها صادق نیست. میتوانیم دو نور لیزر را از یکدیگر رد کنیم بدون این‌که حتی یک برخورد بین دو ذره‌ی نور انجام شود. فیزیکدان‌ها سال‌ها برای تغییر این شرایط به صورت تئوری تلاش کردند تا این‌که بلاخره در سال ۲۰۱۳ این کار را به صورت عملی انجام دادند.  میکاییل لوکین از فیزیکدانان هاروارد گفت:

کاری که ما انجام دادیم در واقع فراهم کردن محیط خاصی است که فوتون‌ها می‌توانند در این محیط شدیدا با یک‌دیگر بر‌هم کنش کنند. بر‌هم کنش آن‌ها شبیه زمانی عمل می‌کند که فوتون‌ها جرم داشته باشند. در این شرایط، فوتون‌ها به یک‌دیگر پیوند خورده و مولکول تشکیل می‌دهند.

برای انجام این کار، فیزیکدانان یک لیزر ضعیف را به محیطی از روبیدیوم سرد شده می‌تابانند. اتم‌ها‌ی روبیدیوم در این حالت به حدی سرد شده‌اند که در حالت ایستا هستند.

نور

زمانی که فوتون از اتمی به اتم دیگر می‌رود میزانی از انرژی خورد را از دست می‌دهد و زمانی که فوتون‌ها‌ی مجاور قصئر گذر از اتم‌ها را دارند، اتفاق عجیبی رخ می‌دهد. اتم‌ها‌ی روبیدیون مجاور، نمی‌توانند به همان حد اتم‌ها‌ی قبلی بر‌انگیخته شوند. به این پدیده، محاصره‌ی ریدبرگ (Rydberg blockade) گفته می‌شود.

زمانی که یکی از فوتون‌ها کی از اتم‌ها‌ی روبیدویوم را وادار به بر‌انگیخته‌شدن می‌کند، فوتون‌دیگر نمی‌تواند اتم روبیدیوم دیگر را وادار به بر‌انگیختگی در همان حد اتم قبلی کند. در این هنگام فوتون در اطراف اتم مورد نظر گیر افتاده و یک مولکول هیبریدی نوری تشکیل می‌شود که پلاریتون نام دارد. در این زمانی که سایر فوتون‌ها در حال گذر از روبیدیوم سرد‌شده هستند، با نوسان پلاریتون‌ها مواجه می‌شوند. در پایان این فوتون‌ها به‌یکدیگر ملحق می‌شوند. همین تیم فیزیکدان‌ها هم اکنون در حال بررسی ساز‌و‌کاری هستند که در صورت امکان بتوانند فوتون سومی را نیز به این مولکول‌ها‌ی نوری وارد کنند. ولادان ولنتیک از MIT گفت:

برای مثال شما می‌توانید اتم‌ها‌ی اکسیژن را برای تشکیل O2 و O3 با یک‌دیگر ترکیب کنید اما نمیتوانید O4 به‌وجود آورید و در بعضی موارد حتی نمی‌توانید سه اتم مشابه را با هم ترکیب کنید. بنابر این سوای که وجود دارد این است: آیا می‌توان فوتون‌ها‌ی بیش‌تری به مولکول‌ها‌ی فوتونی اضافه کرد؟

اکنون اطمینان داریم که تشکیل خوشه‌ها‌ی فوتونی دو‌تایی و سه‌تایی امکان‌پذیر است و ملحق شدن این جفت‌ها و سه‌تایی‌ها‌ی فوتونی و تشکیل نوعی مولکول، فواید بسیاری می‌تواند داشته باشد. دانشمندان به‌تازگی بسیار مشغول کار با نور هستند. آن‌ها سعی داشته‌اند سرعت نور در خلا را کنترل کنند، ساختمان آن‌ها را تغییر دهند و ویژگی‌ها‌ی آن را کنترل کنند.

این تکنولوژی در پیشرفت کامپیوتر‌ها و ارتباطات تاثیر بسیار خواهد داشت. استفاده از مولکول‌ها‌ی فوتونی به‌جای الکترون‌ها برتری‌ها‌ی زیادی خواهد داشت. از جمله این‌که فوتون‌ها سرعت بیش‌تر، انتقال راحت‌تر و قابلیت حمل اطلاعات بیش‌تری را دارند.

هدف بعدی این تیم چیست؟ آیا مولکول‌ها‌ی چهار‌تا‌یی فوتونی را نیز خواهیم داشت؟ ولتیک گفت:

این که آیا می‌توانیم کریستال‌ها‌ی فوتونی درست کنیم و ممکن بودن یا نبودن آن، قابل پیش‌بینی نیست.

دستاوردهای این پژوهش در Science منتشر شد.

منبع: زومیت