Cząsteczka fotoniczna - Photonic molecule
Cząsteczki fotoniczne są teoretyczną naturalną formą materii, która może być również sztucznie wytworzona, w której fotony łączą się, tworząc „ molekuły ”. Po raz pierwszy przewidywano je w 2007 roku. Cząsteczki fotoniczne powstają, gdy pojedyncze (bezmasowe) fotony „oddziałują ze sobą tak silnie, że zachowują się tak, jakby miały masę”. W alternatywnej definicji (która nie jest równoważna), fotony ograniczone do dwóch lub więcej sprzężonych wnęk optycznych również odtwarzają fizykę oddziałujących poziomów energii atomowej i zostały nazwane molekułami fotonicznymi.
Badacze wyciągnęli analogie między tym zjawiskiem a fikcyjnym " mieczem świetlnym " z Gwiezdnych wojen .
Budowa
Gazowe atomy rubidu zostały wpompowane do komory próżniowej. Chmura została schłodzona za pomocą laserów do zaledwie kilku stopni powyżej zera absolutnego. Za pomocą słabych impulsów laserowych do chmury wystrzelono niewielką liczbę fotonów.
Gdy fotony wchodziły do chmury, ich energia wzbudzała atomy na swojej drodze, powodując ich utratę prędkości. Wewnątrz ośrodka chmurowego fotony dyspersyjnie sprzężone z silnie oddziałującymi atomami w wysoce wzbudzonych stanach Rydberga . To spowodowało, że fotony zachowywały się jak masywne cząstki o silnym wzajemnym przyciąganiu (cząsteczki fotonów). W końcu fotony opuściły chmurę razem jako normalne fotony (często splątane parami).
Efekt ten wywołuje tak zwana blokada Rydberga , która w obecności jednego wzbudzonego atomu uniemożliwia wzbudzenie pobliskich atomów w tym samym stopniu. W tym przypadku, gdy dwa fotony wchodzą do chmury atomowej, pierwszy wzbudza atom, anihilując się w interakcji, ale transmitowana energia musi poruszać się do przodu wewnątrz wzbudzonego atomu, zanim drugi foton będzie mógł wzbudzić pobliskie atomy. W efekcie dwa fotony przepychają się i przeciągają przez chmurę, gdy ich energia jest przekazywana z jednego atomu do drugiego, zmuszając je do interakcji. To oddziaływanie fotoniczne jest pośredniczone przez oddziaływanie elektromagnetyczne między fotonami a atomami.
Możliwe zastosowania
Interakcja fotonów sugeruje, że efekt można wykorzystać do zbudowania systemu, który może zachowywać informacje kwantowe i przetwarzać je za pomocą operacji logiki kwantowej.
System może być również przydatny w klasycznych obliczeniach, biorąc pod uwagę znacznie mniejszą moc wymaganą do manipulowania fotonami niż elektronami.
Możliwe jest ułożenie cząsteczek fotonicznych w taki sposób w ośrodku, że tworzą większe dwuwymiarowe struktury (podobnie jak na rysunkach).
Oddziaływanie wnęk optycznych jako molekuły fotoniczne
Termin cząsteczka fotoniczna jest również używany od 1998 r. dla niepowiązanego zjawiska obejmującego oddziałujące elektromagnetycznie mikrownęki optyczne. Właściwości skwantowanych zamkniętych stanów fotonowych w optycznych mikro- i nanownękach są bardzo podobne do właściwości zamkniętych stanów elektronowych w atomach. Ze względu na to podobieństwo mikrownęki optyczne można określić mianem „atomów fotonicznych”. Idąc dalej w tej analogii, skupisko kilku wzajemnie sprzężonych atomów fotonicznych tworzy cząsteczkę fotoniczną. Kiedy poszczególne atomy fotoniczne są zbliżone do siebie, ich mody optyczne oddziałują i powodują powstanie spektrum zhybrydyzowanych supermodów cząsteczek fotonicznych. Jest to bardzo podobne do tego, co dzieje się, gdy dwa pojedyncze układy są połączone, na przykład dwa wodoru orbitali atomowych, pochodzących ze sobą w celu utworzenia wiązania i antibonding orbitali na cząsteczkę wodoru , które hybrydyzują super tryby całkowitej sprzężonego systemu.
„Kawałek półprzewodnika wielkości mikrometra może uwięzić w nim fotony w taki sposób, że zachowują się one jak elektrony w atomie. Teraz PRL z 21 września opisuje sposób na połączenie dwóch z tych „atomów fotonicznych”. bliski związek to „cząsteczka fotoniczna”, której tryby optyczne wykazują silne podobieństwo do stanów elektronowych cząsteczki dwuatomowej, takiej jak wodór”. „Cząsteczki fotoniczne, nazywane przez analogię z cząsteczkami chemicznymi, to skupiska blisko położonych, oddziałujących elektromagnetycznie mikrowgłębień lub „atomów fotonicznych”.” „Optycznie sprzężone mikrownęki pojawiły się jako struktury fotoniczne o obiecujących właściwościach do badania nauk podstawowych, a także do zastosowań”.
Pierwszą fotoniczną realizacją dwupoziomowego układu molekuły fotonicznej dokonali Spreew i inni, którzy wykorzystali światłowody do realizacji rezonatora pierścieniowego , chociaż nie używali terminu „cząsteczka fotoniczna”. Dwa tryby tworzące cząsteczkę mogą być trybami polaryzacji pierścienia lub trybami pierścienia zgodnymi i przeciwnymi do ruchu wskazówek zegara. Następnie zademonstrowano litograficznie wytworzoną molekułę fotoniczną, zainspirowaną analogią do prostej molekuły dwuatomowej. Zaproponowano jednak inne inspirowane naturą struktury PM (takie jak "fotoniczny benzen") i wykazano, że obsługują ograniczone tryby optyczne ściśle analogiczne do orbitali molekularnych w stanie podstawowym ich chemicznych odpowiedników.
Cząsteczki fotoniczne oferują przewagę nad izolowanymi atomami fotonicznymi w różnych zastosowaniach, w tym w wykrywaniu bio(chemicznym), optomechanice wnękowej i mikrolaserach. Cząsteczki fotoniczne mogą być również wykorzystywane jako symulatory kwantowe fizyki wielu ciał oraz jako elementy budulcowe przyszłej optycznej informacji kwantowej sieci przetwarzania.
W pełnej analogii, skupiska nanocząstek metali – które podtrzymują stany plazmonów na ograniczonej powierzchni – zostały nazwane „cząsteczkami plazmonicznymi”.
Wreszcie, zaproponowano i zademonstrowano także hybrydowe cząsteczki fotoniczno-plazmoniczne (lub opto-plazmoniczne).