Entaglované fotony svedou leccos. Kredit: Christine Daniloff/MIT.

Fotony jsou elementární částice extrémní povahy. Létají nejvyšší možnou rychlostí, čili rychlostí světla, nemají žádnou hmotnost a nejsou společenské. Za normálních okolností nevstupují do vzájemných interakcí. Fyzici MIT a Harvardu ale nedávno vytvořili novou formu světla, pro kterou tohle neplatí. Názorně předvedli, že fotony za určitých okolností mohou navzájem interagovat, mohou mít hmotnost, a rovněž mohou podstatně zpomalit.

Vladan Vuletic. Kredit: MIT.

Vladan Vuletic z MIT a jeho spolupracovníci navazují na dřívější výzkum, v němž vytvářeli fotonické „molekuly“ ze dvou interagujících fotonů. A když se jim to povedlo se dvěma fotony, tak proč to nezkusit se třemi nebo i více fotony? Pokud jde o atomy, některé kombinace jsou možné, například molekuly kyslíku O2 nebo O3. Ale molekuly O4 už vytvořit nelze. Fyzici se tedy toužili dozvědět, jak to funguje v případě fotonů.

Vuletic a spol. ke svým experimentům sehnali oblak atomů rubidia, který extrémně ochladili na teplotu blízkou absolutní nule. Pak do ultrachladného oblaku atomů střelili velmi slabým laserovým paprskem. Zásah oblaku takovým paprskem vede k vyzáření několika málo fotonů, které pak badatelé mohou prostudovat. Za normálních okolností by se z oblaku fotony vyzářily v náhodných intervalech. Teď se ale objevovaly ve skupinách po dvou nebo po třech.

A nešlo jen o to, že se fotony v tomto výzkumu navzájem přitahovaly. Také získaly hmotnost, což je u fotonů velice extrémní situace. Ztěžkly sice jenom o zlomek hmotnosti elektronu, pro částici, která obvykle žádnou hmotnost nemá, je to ale dost zásadní změna. Tím, že fotony ztěžkly, také velice zpomalily. Najednou se pohybovaly asi tak sto tisíckrát pomaleji, než když se řítí svojí typickou rychlostí světla.

Dočkáme se světelných mečů? Kredit: William Tung / Wikimedia Commons.

Pro Vuletice a jeho kolegy bylo velice zajímavé už jenom to, že fotony jsou ochotny tvořit trojice. Nebylo totiž jasné, zda je to vůbec možné. Nakonec se povedlo a jejich výzkum publikoval prestižní časopis Science. Vědci se domnívají, že klíčem pro vzniku trojic fotonů v jejich experimentech byly polaritony – kvantové kvazičástice. Jsou to vlastně hybridi, které z části tvoří elektromagnetické záření a z části hmota. Polaritony mají hmotnost a interagují mezi sebou navzájem. Díky tomu mohlo dojít ke kvantovému provázání fotonů ze sousedních polaritonů, které pak již zůstaly propojené jako fotonické „molekuly“.

Fotonické molekuly z entanglovaných fotonů by podle Vuletice mohly nalézt uplatnění ve kvantové elektronice. Když se fotony mohou navzájem ovlivňovat, tak by mohly být využity k šíření kvantové informace. Badatelé také upozorňují, že vzájemná přitažlivost je jenom jednou z možných interakcí částic. Vuletic a spol. chtějí v budoucnu experimentovat s odpuzováním fotonů. Pokud se jim to bude dařit, tak to přinese zase nové, ohromující možnosti. Navzájem se odpuzující fotony by mohly vytvářet pravidelné vzory, možná i krystaly ze světla. Anebo to bude ještě více fantastické. Vědci zatím netuší, je to neprozkoumané území. Hvězdné války jsou možná blíž, než jsme si mysleli.

Video:  Vladan Vuletic: Friction at the Nanoscale


Literatura
MIT News 15. 2. 2018, Science 359: 783–786.