Prueba un experimento rápido:lleva dos linternas a una habitación oscura y hazlas brillar para que sus haces de luz se crucen. ¿Notas algo peculiar? La respuesta bastante anticlimática es:Probablemente no. Eso es porque los fotones individuales que componen la luz no interactúan. En lugar de, simplemente pasan el uno al otro, como espíritus indiferentes en la noche.

Pero, ¿y si se pudiera hacer que las partículas de luz interactuaran? atrayéndose y repeliéndose unos a otros como átomos en la materia ordinaria? Uno tentador aunque posibilidad de ciencia ficción:sables de luz:rayos de luz que pueden tirarse y empujarse entre sí, haciendo deslumbrante, enfrentamientos épicos. O, en un escenario más probable, dos rayos de luz podrían encontrarse y fusionarse en uno solo, corriente luminosa.

Puede parecer que tal comportamiento óptico requeriría doblar las reglas de la física, Pero, de hecho, científicos del MIT, Universidad Harvard, y en otros lugares ahora han demostrado que se puede hacer que los fotones interactúen, un logro que podría abrir un camino hacia el uso de fotones en la computación cuántica. si no en sables de luz.

En un artículo publicado hoy en la revista Ciencias , el equipo, dirigido por Vladan Vuletic, el profesor Lester Wolfe de Física en el MIT, y el profesor Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard, informa que ha observado grupos de tres fotones interactuando y, en efecto, pegándose para formar un tipo completamente nuevo de materia fotónica.

En experimentos controlados, Los investigadores encontraron que cuando proyectaban un rayo láser muy débil a través de una densa nube de átomos de rubidio ultrafríos, en lugar de salir de la nube como soltero, fotones espaciados aleatoriamente, los fotones unidos en pares o tripletes, sugiriendo algún tipo de interacción, en este caso, atracción - que tiene lugar entre ellos.

Mientras que los fotones normalmente no tienen masa y viajan a 300, 000 kilómetros por segundo (la velocidad de la luz), los investigadores encontraron que los fotones ligados en realidad adquirían una fracción de la masa de un electrón. Estas partículas de luz recién cargadas también eran relativamente lentas, viajando alrededor de 100, 000 veces más lento que los fotones no interactivos normales.

Vuletic dice que los resultados demuestran que los fotones pueden atraer, o enredarse. Si se les puede hacer interactuar de otras formas, los fotones pueden aprovecharse para funcionar extremadamente rápido, cálculos cuánticos increíblemente complejos.

"La interacción de fotones individuales ha sido un sueño muy largo durante décadas, "Dice Vuletic.

Los coautores de Vuletic incluyen a Qi-Yung Liang, Sergio Cantú, y Travis Nicholson del MIT, Lukin y Aditya Venkatramani de Harvard, Michael Gullans y Alexey Gorshkov de la Universidad de Maryland, Jeff Thompson de la Universidad de Princeton, y Cheng Ching de la Universidad de Chicago.

Agrandando y agrandando

Vuletic y Lukin dirigen el MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms, y juntos han estado buscando formas, tanto teóricos como experimentales, para fomentar las interacciones entre fotones. En 2013, el esfuerzo valió la pena, mientras el equipo observaba pares de fotones interactuando y uniéndose por primera vez, creando un estado de materia completamente nuevo.

En su nuevo trabajo, los investigadores se preguntaron si las interacciones podrían tener lugar no solo entre dos fotones, Pero más.

"Por ejemplo, puedes combinar moléculas de oxígeno para formar O2 y O3 (ozono), pero no O4, y para algunas moléculas no se puede formar ni siquiera una molécula de tres partículas, "Dice Vuletic." Así que era una pregunta abierta:¿se pueden agregar más fotones a una molécula para hacer cosas cada vez más grandes? "

Descubrir, el equipo utilizó el mismo enfoque experimental que utilizaron para observar las interacciones de dos fotones. El proceso comienza con el enfriamiento de una nube de átomos de rubidio a temperaturas ultrafrías, sólo una millonésima de grado por encima del cero absoluto. El enfriamiento de los átomos los ralentiza hasta casi detenerlos. A través de esta nube de átomos inmovilizados, los investigadores luego hacen brillar un rayo láser muy débil, tan débil, De hecho, que solo un puñado de fotones viajan a través de la nube al mismo tiempo.

Luego, los investigadores miden los fotones a medida que salen del otro lado de la nube de átomos. En el nuevo experimento, encontraron que los fotones fluían como pares y trillizos, en lugar de salir de la nube a intervalos aleatorios, como fotones individuales que no tienen nada que ver entre sí.

Además de rastrear el número y la tasa de fotones, el equipo midió la fase de los fotones, antes y después de viajar a través de la nube de átomos. La fase de un fotón indica su frecuencia de oscilación.

"La fase te indica la intensidad con la que interactúan, y cuanto mayor sea la fase, cuanto más fuertes están unidos, "Venkatramani explica. El equipo observó que cuando las partículas de tres fotones salían de la nube de átomos simultáneamente, su fase se cambió en comparación con lo que era cuando los fotones no interactuaban en absoluto, y era tres veces mayor que el cambio de fase de las moléculas de dos fotones. "Esto significa que estos fotones no son solo cada uno de ellos interactuando de forma independiente, pero están todos juntos interactuando fuertemente ".

Encuentros memorables

Luego, los investigadores desarrollaron una hipótesis para explicar qué pudo haber causado que los fotones interactuaran en primer lugar. Su modelo, basado en principios físicos, plantea el siguiente escenario:cuando un solo fotón se mueve a través de la nube de átomos de rubidio, aterriza brevemente en un átomo cercano antes de saltar a otro átomo, como una abeja revoloteando entre flores, hasta llegar al otro extremo.

Si otro fotón viaja simultáneamente a través de la nube, también puede pasar algún tiempo en un átomo de rubidio, formando un polaritón, un híbrido que es en parte fotón, parte del átomo. Entonces, dos polaritones pueden interactuar entre sí a través de su componente atómico. Al borde de la nube los átomos permanecen donde están, mientras salen los fotones, todavía unidos. Los investigadores encontraron que este mismo fenómeno puede ocurrir con tres fotones, formando un enlace aún más fuerte que las interacciones entre dos fotones.

"Lo interesante fue que estos trillizos se formaron en absoluto, "Dice Vuletic." Tampoco se sabía si serían iguales, menos, o más fuertemente unido en comparación con los pares de fotones ".

Toda la interacción dentro de la nube de átomos ocurre durante una millonésima de segundo. Y es esta interacción la que hace que los fotones permanezcan unidos, incluso después de que hayan abandonado la nube.

"Lo bueno de esto es, cuando los fotones atraviesan el medio, cualquier cosa que pase en el medio, ellos 'recuerdan' cuando salen, "Dice Cantú.

Esto significa que los fotones que han interactuado entre sí, en este caso a través de una atracción entre ellos, puede considerarse como fuertemente correlacionado, o entrelazado - una propiedad clave para cualquier bit de computación cuántica.

"Los fotones pueden viajar muy rápido en largas distancias, y la gente ha estado usando la luz para transmitir información, como en fibras ópticas, "Dice Vuletic." Si los fotones pueden influirse entre sí, entonces, si puedes entrelazar estos fotones, y lo hemos hecho puede utilizarlos para distribuir información cuántica de una forma interesante y útil ".

Avanzando, el equipo buscará formas de coaccionar otras interacciones como la repulsión, donde los fotones pueden dispersarse como bolas de billar.

"Es completamente novedoso en el sentido de que a veces ni siquiera sabemos cualitativamente qué esperar, "Dice Vuletic." Con repulsión de fotones, ¿Pueden ser tales que formen un patrón regular? como un cristal de luz? ¿O sucederá algo más? Es un territorio muy desconocido ".