Prova un rapido esperimento:porta due torce in una stanza buia e illuminale in modo che i loro raggi di luce si incrocino. Noti qualcosa di strano? La risposta piuttosto anticlimatica è, probabilmente no. Questo perché i singoli fotoni che compongono la luce non interagiscono. Anziché, si passano semplicemente accanto, come spiriti indifferenti nella notte.

Ma cosa accadrebbe se le particelle di luce potessero interagire, si attraggono e si respingono come atomi nella materia ordinaria? uno allettante, anche se possibilità fantascientifica:spade laser - fasci di luce che possono tirarsi e spingersi l'un l'altro, rendendo abbagliante, epici scontri. O, in uno scenario più probabile, due fasci di luce potrebbero incontrarsi e fondersi in un unico, flusso luminoso.

Può sembrare che un simile comportamento ottico richieda di piegare le regole della fisica, ma infatti, scienziati del MIT, Università di Harvard, e altrove hanno ora dimostrato che i fotoni possono davvero essere fatti interagire - un risultato che potrebbe aprire la strada all'utilizzo dei fotoni nell'informatica quantistica, se non con le spade laser.

In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza , Il gruppo, guidato da Vladan Vuletic, il Lester Wolfe Professore di Fisica al MIT, e il professor Mikhail Lukin dell'Università di Harvard, riferisce di aver osservato gruppi di tre fotoni che interagiscono e, in effetti, si uniscono per formare un tipo completamente nuovo di materia fotonica.

In esperimenti controllati, i ricercatori hanno scoperto che quando proiettavano un raggio laser molto debole attraverso una densa nuvola di atomi di rubidio ultrafreddi, invece di uscire dal cloud come single, fotoni spaziati casualmente, i fotoni legati insieme in coppie o terzine, suggerendo una sorta di interazione - in questo caso, attrazione - che si svolge tra di loro.

Mentre i fotoni normalmente non hanno massa e viaggiano a 300, 000 chilometri al secondo (la velocità della luce), i ricercatori hanno scoperto che i fotoni legati hanno effettivamente acquisito una frazione della massa di un elettrone. Queste particelle di luce appena appesantite erano anche relativamente lente, viaggiando per circa 100, 000 volte più lento dei normali fotoni non interagenti.

Vuletic afferma che i risultati dimostrano che i fotoni possono effettivamente attrarre, o aggrovigliarsi l'un l'altro. Se possono essere fatti interagire in altri modi, i fotoni possono essere sfruttati per eseguire prestazioni estremamente veloci, calcoli quantistici incredibilmente complessi.

"L'interazione dei singoli fotoni è stata un sogno molto lungo per decenni, "Dice Vuletic.

I coautori di Vuletic includono Qi-Yung Liang, Sergio Cantù, e Travis Nicholson del MIT, Lukin e Aditya Venkatramani di Harvard, Michael Gullans e Alexey Gorshkov dell'Università del Maryland, Jeff Thompson dell'Università di Princeton, e Cheng Ching dell'Università di Chicago.

Sempre più grande

Vuletic e Lukin guidano il MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, e insieme hanno cercato vie, sia teorici che sperimentali, incoraggiare le interazioni tra i fotoni. Nel 2013, lo sforzo è stato ripagato, quando il team ha osservato per la prima volta coppie di fotoni che interagiscono e si legano insieme, creando uno stato completamente nuovo della materia.

Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori si sono chiesti se potessero avvenire interazioni non solo tra due fotoni, ma più.

"Per esempio, puoi combinare le molecole di ossigeno per formare O2 e O3 (ozono), ma non O4, e per alcune molecole non puoi formare nemmeno una molecola a tre particelle, " Dice Vuletic. "Quindi era una domanda aperta:puoi aggiungere più fotoni a una molecola per creare cose sempre più grandi?"

Per scoprirlo, il team ha utilizzato lo stesso approccio sperimentale utilizzato per osservare le interazioni tra due fotoni. Il processo inizia con il raffreddamento di una nuvola di atomi di rubidio a temperature ultrafredde, appena un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto. Raffreddare gli atomi li rallenta quasi fino all'arresto. Attraverso questa nuvola di atomi immobilizzati, i ricercatori poi fanno brillare un raggio laser molto debole - così debole, infatti, che solo una manciata di fotoni viaggia attraverso la nuvola in qualsiasi momento.

I ricercatori quindi misurano i fotoni mentre escono dall'altra parte della nuvola atomica. Nel nuovo esperimento, hanno scoperto che i fotoni venivano trasmessi come coppie e terzine, invece di uscire dal cloud a intervalli casuali, come singoli fotoni che non hanno nulla a che fare l'uno con l'altro.

Oltre a tenere traccia del numero e della velocità dei fotoni, il team ha misurato la fase dei fotoni, prima e dopo aver viaggiato attraverso la nuvola atomica. La fase di un fotone indica la sua frequenza di oscillazione.

"La fase ti dice quanto fortemente interagiscono, e maggiore è la fase, più forti sono legati insieme, " Spiega Venkatramani. Il team ha osservato che quando le particelle di tre fotoni uscivano simultaneamente dalla nuvola atomica, la loro fase è stata spostata rispetto a quella che era quando i fotoni non interagiscono affatto, ed era tre volte più grande dello sfasamento delle molecole a due fotoni. "Ciò significa che questi fotoni non interagiscono indipendentemente tra loro, ma ma stanno tutti insieme e interagiscono fortemente."

Incontri memorabili

I ricercatori hanno quindi sviluppato un'ipotesi per spiegare cosa potrebbe aver causato l'interazione dei fotoni in primo luogo. Il loro modello, basato su principi fisici, propone il seguente scenario:come un singolo fotone si muove attraverso la nuvola di atomi di rubidio, atterra brevemente su un atomo vicino prima di passare a un altro atomo, come un'ape che svolazza tra i fiori, fino a raggiungere l'altra estremità.

Se un altro fotone sta viaggiando contemporaneamente attraverso la nuvola, può anche passare un po' di tempo su un atomo di rubidio, formando un polaritone - un ibrido che è in parte fotone, parte atomo. Quindi due polaritoni possono interagire tra loro tramite la loro componente atomica. Ai margini della nuvola, gli atomi rimangono dove sono, mentre i fotoni escono, ancora legati insieme. I ricercatori hanno scoperto che questo stesso fenomeno può verificarsi con tre fotoni, formando un legame ancora più forte delle interazioni tra due fotoni.

"La cosa interessante è che queste terzine si sono formate, " dice Vuletic. "Non si sapeva nemmeno se sarebbero stati uguali, meno, o più fortemente legati rispetto alle coppie di fotoni."

L'intera interazione all'interno della nuvola atomica avviene in un milionesimo di secondo. Ed è questa interazione che fa sì che i fotoni rimangano legati insieme, anche dopo che hanno lasciato la nuvola.

"La cosa bella di questo è che quando i fotoni passano attraverso il mezzo, tutto ciò che accade nel mezzo, si "ricordano" quando escono, " dice Cantù.

Ciò significa che i fotoni che hanno interagito tra loro, in questo caso attraverso un'attrazione tra di loro, può essere pensato come fortemente correlato, o entangled:una proprietà chiave per qualsiasi bit di calcolo quantistico.

"I fotoni possono viaggiare molto velocemente su lunghe distanze, e le persone hanno usato la luce per trasmettere informazioni, come nelle fibre ottiche, " dice Vuletic. "Se i fotoni possono influenzarsi a vicenda, allora se riesci ad intrappolare questi fotoni, e l'abbiamo fatto, puoi usarli per distribuire informazioni quantistiche in un modo interessante e utile."

Andando avanti, il team cercherà modi per costringere altre interazioni come repulsione, dove i fotoni possono disperdersi l'un l'altro come palle da biliardo.

"È completamente nuovo, nel senso che a volte non sappiamo nemmeno qualitativamente cosa aspettarci, " dice Vuletic. "Con la repulsione dei fotoni, possono essere tali da formare uno schema regolare, come un cristallo di luce? O succederà qualcos'altro? È un territorio molto inesplorato".