Polaritony umožňují kouzlit se světlem. Kredit: Hullin et al. (2011).

Záření a hmota jsou sice v kvantovém světě osudově propojené, prakticky ale mezi nimi leží mohutné zdi. Fyzici americké University of Chicago se ve svých experimentech snaží zdi mezi zářením a hmotou zbořit, aby mohli zkoumat jejich základní vlastnosti. Důkladné poznání chování záření i hmoty na kvantové úrovni by přitom mělo mít velmi praktické aplikace, jako třeba ve vývoji kvantových počítačů či kvantové komunikace.

Logan Clark. Kredit: University of Chicago.

Na boření těchto pomyslných zdí mezi zářením a hmotou se podílel i výzkum, který vedl Logan Clark. Použili jednu z možností, jak „přiblížit“ záření hmotě, která spočívá ve zmanipulování fotonů, aby mezi sebou interagovaly, jako to dělají částice hmoty. Za normálních okolností totiž fotony sviští rychlostí světla a nějakými interakcemi se nezabývají.

Jak ale donutit fotony, aby mezi sebou interagovaly? Clark a spol. k tomu využili atomy jako prostředníky. Museli ale vyřešit problém s tím, že fotony normálně interagují pouze s atomy, které mají elektronové orbitaly o zcela specifických energiích. Napadlo je, že by mohli vytvořit kopie těchto orbitalů, ale o energiích, jaké by jen chtěli.

Clark již dříve vyvinul nový postup, kterým lze manipulovat hmotu na kvantové úrovni, tzv. Floquetovu techniku (Floquet engineering). Když laserovým paprskem správě „zatřesete“ částicemi hmoty, tak přitom spontánně vzniknou kopie nebo jak badatelé láskyplně říkají „dvojníci“ (doppelgangers) kvantových stavů o různých energiích. Clark a spol. do této doby kvantové dvojníky považovali spíše za vedlejší produkt. Teď je ale mohli skvěle využít.

University of Chicago, logo.

V experimentu nechali fotony interagovat s takto laserem „roztřesenými“ atomy, čímž vytvořili hybridní kvazičástice, kterým říkají Floquetovy polaritony. Ve fyzice jsou polaritony kvazičástice, které vznikají smísením fotonu s nějakou excitací hmoty. Například excitonové polaritony vznikají spojením viditelného záření s excitonem, čili s vázaným stavem elektronu a kladně nabité díry. No a Floquetovy polaritony, na rozdíl od samotných fotonů, navzájem interagují velmi slušně. Takové interakce jsou přitom klíčem k vytvoření hmoty ze světla.

Jak říká Clark, Floquetovy polaritony jsou plné překvapení a zatím jim ještě moc nerozumíme. Clarkův tým se teď zaměří na to, že bude z těchto hybridních kvazičástic vyrábět topologické "kapaliny“ světla. Podle Clarka je jejich magie s polaritony nejen velmi zábavná, ale také může přinést fascinující vědecké objevy. Není důvod mu nevěřit.

Video: Polaritons: light-matter coupling for new technologies

Literatura
University of Chicago 3. 7. 2019, Nature online 3. 7. 2019.