Современная физика дает человеку огромные возможности по управлению свойствами материи. Меняя состав вещества или внешние условия ― давление, температуру, кислотность среды ― мы можем существенно влиять на свойства того или иного материала.
«Корректировать свойства вещества можно как химически, то есть смешивая его с другими веществами, так и физически, ― рассказывает профессор Нового физтеха Университета ИТМО Иван Иорш. ― Например, если металл очень сильно охладить он перейдет в сверхпроводящее состояние».
Сходные «превращения» можно осуществлять также с помощью света. Причем как прямо, просто воздействуя на материю высокоинтенсивным пучком света, так и чуть более сложным образом ― за счет так называемой ультра-сильной связи между атомом и световой частицей ― фотоном. При такой ультра-сильной связи возникает новая частица поляритон, имеющая как свойства материи, так и свойства света.
«Это сравнительно новый способ менять фазы вещества, ― объясняет Иван Иорш. ― Есть предложения по наблюдению в условиях такой связи сверхпроводимости, также в такой ситуации могут меняться магнитные свойства материи, могут получаться ферроэлектрики. Это, можно сказать, такая новая "алхимия", но за счет взаимодействий со светом».
Светоматерия
Чтобы получить поляритон, необходимо создать условия для достаточно интенсивного взаимодействия атомов того или иного вещества и фотонов. Как правило, для этого атомы надо поместить в оптический резонатор, куда попадает свет, однако выбраться из которого фотонам не так-то просто. Они многократно отражаются от внутренних стенок резонатора, постоянно взаимодействуя с атомами внутри.
«У атома есть основное состояние, а есть возбужденное состояние, в которое его можно привести, придав ему определенную энергию, ― объясняет Иван Иорш. ― В фотонике мы в качестве энергии используем свет. Процесс взаимодействия света и атома в оптическом резонаторе может происходить очень долго. Если до взаимодействия энергия фотона была равна энергии, необходимой для возбуждения атома, то может возникать эффект сильной связи, то есть атом и фотон создают новую частицу ― поляритон. При этом энергия этой частицы равна энергии фотона плюс-минус определенное значение. То есть у некоторых поляритонов энергия чуть больше (их называют верхним), а у некоторых чуть меньше (их называют нижним)».
Эта оговорка, что энергия поляритона равна энергии фотона плюс-минус определенное значение, является очень важной. Так как эта разница зависит от силы взаимодействия света с веществом, то при достаточно сильном взаимодействии энергия нижнего поляритона может становиться ниже энергии основного состояния, в котором фотона в резонаторе нет совсем.
Получается, что самым низкоэнергетическим для материала теперь является не состояние покоя атома, а именно поляритон ― частица со свойством света и материи. Именно это и позволяет менять физические свойства вещества, управлять его проводимостью, магнитными и другими свойствами.
«В такой системе вы можете менять свойства вещества, даже постоянно не светя на них, просто поместив в резонатор, ― отмечает Иван Иорш. ― Это полезно, ведь обычно свойства меняются, когда вы светите, но стоит выключить свет, как свойства возвращаются в исходное состояние».
Окунув в поток фотонов
Однако помещение атомов внутрь оптического резонатора не единственный способ получения поляритонов. Уже раньше было теоретически предсказано, что такие частицы могут образовываться из группы атомов, расположенных над волноводом, то есть над оптическим каналом, по которому бегут фотоны. Ученые Университета ИТМО в рамках работы по гранту РНФ подтвердили это.
«Мы показали, что в системе атомов над волноводом может возникать режим ультра-сильной связи, ― рассказывает Иван Иорш. ― В этом случае роль резонатора выполняет волновод, то есть вместо фотонов в резонаторе у нас есть фотоны в волноводе. Важно, что у нас не один атом, а массив, они "общаются" друг с другом посредством обмена вот этими волноводными фотонами».
За счет этого состояния можно управлять светом, получая его неклассические состояния. В частности, можно получать одиночные или парные фотоны, а не большой поток частиц, как в обычном лазере.
«Плюс есть еще один момент: у вас есть очень сильная связь между фотонной подсистемой и механическими степенями свободы, то есть как атомы двигаются, ― объясняет Иван Иорш. ― Движение атомов тоже квантовано, оно тоже неклассическое, описывается дискретным набором квантовых переменных. Оказывается, вы можете информацию, которая переносится фотоном, записывать в квантованное движение атомов, а потом считывать его. Что-то типа квантовой памяти».
Статья: Ivan Iorsh, Alexander Poshakinskiy, and Alexander Poddubny. Waveguide Quantum Optomechanics: Parity-Time Phase Transitions in Ultrastrong Coupling Regime. Physical Review Letters,125, 18360. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.183601
