Het is een glimp van sciencefiction gemaakt feit: wetenschappers hebben een nieuwe vorm van licht gecreëerd die ooit zou kunnen worden gebruikt om lichtkristallen te bouwen. Maar voordat potentiële Jedi's hun sabels gaan eisen, zal de vooruitgang veel eerder leiden tot intrigerende nieuwe manieren van communiceren en rekenen, melden onderzoekers deze week in Science .
Licht bestaat uit fotonen - snelle, kleine pakketjes energie. Meestal werken fotonen helemaal niet op elkaar in en daarom zien we bij het gebruik van zaklampen "dat de lichtstralen niet van elkaar stuiteren, je ziet ze door elkaar gaan", legt Sergio Cantu, een Ph.D. kandidaat in atomaire fysica aan het Massachusetts Institute of Technology. In nieuwe experimenten brachten de natuurkundigen echter afzonderlijke fotonen ertoe om elkaar te behagen en te verbinden, vergelijkbaar met de manier waarop afzonderlijke atomen aan elkaar kleven in moleculen.
De fotondans vindt plaats in een laboratorium bij MIT waar de natuurkundigen tafelblad-experimenten met lasers uitvoeren. Cantu, zijn collega Aditya Venkatramani, een Ph.D. kandidaat in atoomfysica aan Harvard University, en hun medewerkers beginnen met het creëren van een wolk van gekoelde rubidiumatomen. Rubidium is een alkalimetaal, dus het lijkt meestal op een zilverwitte vaste stof. Maar rubidium verdampen met een laser en het ultrakoud houden, creëert een wolk die de onderzoekers in een buisje houden en magnetiseren. Dit houdt de rubidiumatomen diffuus, langzaam bewegend en in een zeer opgewonden toestand.
Dan vuurt het team een zwakke laser naar de wolk. De laser is zo zwak dat slechts een handvol fotonen de wolk binnenkomen, legt een persbericht van MIT uit. De fysici meten de fotonen wanneer ze de andere kant van de wolk verlaten en dat is wanneer dingen raar worden.
Normaal zouden de fotonen met de snelheid van het licht reizen - of bijna 300.000 kilometer per seconde. Maar terwijl ze door de wolk passeren, kruipen de fotonen 100.000 keer langzamer dan normaal. In plaats van de wolk willekeurig te verlaten, komen de fotonen ook per paar of drieling door. Deze paren en drielingen geven ook een andere energiesignatuur af, een faseverschuiving, die de onderzoekers vertelt dat de fotonen op elkaar inwerken.
"Aanvankelijk was het onduidelijk", zegt Venkatramani. Het team had eerder twee fotonen gezien, maar ze wisten niet of drieling mogelijk was. Hij legt uit dat een waterstofmolecuul tenslotte een stabiele opstelling is van twee waterstofatomen, maar drie waterstofatomen kunnen niet langer dan een miljoenste seconde bij elkaar blijven. "We wisten niet zeker of drie fotonen een stabiel molecuul zouden zijn of iets dat we zelfs konden zien", zegt hij.
Verrassend, ontdekten de onderzoekers dat de drie-foton groepering zelfs stabieler is dan twee. "Hoe meer je toevoegt, hoe sterker ze zijn gebonden", zegt Venkatramani.
Maar hoe komen de fotonen bij elkaar? Het theoretische model van de fysici suggereert dat als een enkel foton door de wolk van rubidium beweegt, het van het ene atoom naar het andere springt, "zoals een bij die tussen bloemen fladdert", legt het persbericht uit. Eén foton kan kort binden aan een atoom, waardoor een hybride foton-atoom of polariton wordt gevormd. Als twee van deze polaritons elkaar in de cloud ontmoeten, werken ze samen. Wanneer ze de rand van de wolk bereiken, blijven de atomen achter en de fotonen varen vooruit, nog steeds samengebonden. Voeg meer fotonen toe en hetzelfde fenomeen leidt tot drieling.
"Nu we begrijpen wat ertoe leidt dat interacties aantrekkelijk zijn, kun je vragen: kun je ze elkaar in plaats daarvan afstoten?" zegt Cantu. Fundamenteel zou spelen met de interactie nieuwe inzichten kunnen opleveren over hoe energie werkt of waar het vandaan komt, zegt hij.
Met het oog op technologische vooruitgang kunnen fotonen die op deze manier aan elkaar zijn gekoppeld informatie bevatten - een kwaliteit die nuttig is voor kwantumcomputing. En quantum computing kan leiden tot onkraakbare codes, ultraprecieze klokken, ongelooflijk krachtige computers en meer. Wat zo aantrekkelijk is aan het coderen van informatie in fotonen, is dat fotonen hun informatie zeer snel over afstanden kunnen overbrengen. Fotonen versnellen al onze communicatie langs glasvezellijnen. Gebonden of verstrengelde fotonen kunnen complexe kwantuminformatie vrijwel onmiddellijk overbrengen.
Het team overweegt de aantrekkelijke en afstotende interacties van fotonen zo precies te regelen dat ze fotonen in voorspelbare structuren kunnen rangschikken die als kristallen bij elkaar blijven. Sommige fotonen stoten elkaar af, duwen uit elkaar totdat ze hun eigen ruimte vinden, terwijl anderen de grotere formatie behouden en voorkomen dat de afstotende zich verspreiden. Hun patroonopstelling zou een licht kristal zijn. In een lichtkristal: "als je weet waar het ene foton is, dan weet je waar de anderen achter staan, met gelijke tussenpozen", zegt Venkatramani. "Dit kan erg handig zijn als je op regelmatige tijdstippen kwantumcommunicatie wilt hebben."
De toekomst die dergelijke kristallen mogelijk maken, lijkt misschien vager dan een waarin mensen vechten met lichtzwaarden, maar het zou de vooruitgang nog indrukwekkender en nog ongrijpbaarder kunnen maken.
Noot van de redactie: dit verhaal is gecorrigeerd om te reflecteren dat fotonen, geen atomen, de rubidiumwolk binnenkomen en hun snelheid vertraagt terwijl ze erdoorheen gaan.
