Ogni tipo di atomo nell'universo ha un'impronta digitale unica:assorbe o emette luce solo alle particolari energie che corrispondono alle orbite consentite dei suoi elettroni. Quell'impronta digitale consente agli scienziati di identificare un atomo ovunque si trovi. Un atomo di idrogeno nello spazio esterno assorbe la luce con le stesse energie di uno sulla Terra.

Mentre i fisici hanno imparato come i campi elettrici e magnetici possono manipolare questa impronta digitale, il numero di caratteristiche che lo compongono di solito rimane costante. Nel lavoro pubblicato il 3 luglio sulla rivista Natura , I ricercatori dell'Università di Chicago hanno sfidato questo paradigma scuotendo gli elettroni con i laser per creare caratteristiche "doppelganger" a nuove energie, una svolta che consente agli scienziati di creare particelle ibride che sono in parte atomi e in parte luce, con un'ampia varietà di nuovi comportamenti.

La ricerca fa parte di uno sforzo maggiore in Assoc. Il laboratorio del Prof. Jonathan Simon per abbattere i muri tra materia e luce, per studiarne le proprietà fondamentali. Oltre a imparare come si comportano i materiali a livello quantistico, questo lavoro potrebbe un giorno aiutare a creare computer più potenti o comunicazioni quantistiche virtualmente "non hackerabili".

Un passo lungo la strada per creare materia dalla luce è creare pacchetti di luce individuali, chiamati fotoni, interagiscono tra loro come fa la materia. (Normalmente i fotoni sfrecciano alla velocità della luce e non reagiscono affatto tra loro.)

"Per far collidere i fotoni tra loro, usiamo gli atomi come intermediario, " ha detto il ricercatore post-dottorato Logan Clark, che ha condotto la ricerca. "Ma stavamo incontrando un problema perché i fotoni interagiscono solo con atomi i cui orbitali elettronici sono a energie molto particolari. Quindi abbiamo chiesto:e se potessimo fare copie degli orbitali a qualsiasi energia desideriamo?"

Clark aveva già sviluppato tecniche per manipolare la materia quantistica scuotendola, chiamata ingegneria Floquet, come parte del suo dottorato di ricerca. progetto. Il giusto tipo di agitazione produce naturalmente copie di stati quantistici a più energie lungo il percorso. "Avevamo sempre visto le copie come un effetto collaterale piuttosto che l'obiettivo, " Egli ha detto, "ma questa volta, abbiamo scosso i nostri elettroni con l'intento specifico di fare le copie."

Variando l'intensità di un campo laser sintonizzato con precisione su una risonanza atomica, il team è stato in grado di spostare gli orbitali di un elettrone. Scuotendo gli orbitali variando periodicamente questa intensità si producevano le copie desiderate.

Ma questi doppelganger hanno un importante problema:"Mentre l'orbitale atomico appare a più energie distinte, è importante notare che queste copie sono effettivamente legate all'originale come pupazzi, " ha spiegato il ricercatore postdottorato Nathan Schine, coautore dello studio. "Quando una delle copie si sposta, l'originale e tutte le altre copie si spostano con esso."

Permettendo ai fotoni di interagire con questi atomi scossi, il team ha creato quelli che chiamano "polaritoni Floquet":quasi particelle che sono in parte luce e in parte atomi, e a differenza dei normali fotoni, interagiscono tra loro in modo abbastanza forte. Queste interazioni sono essenziali per ricavare materia dalla luce. Fare polaritoni con atomi scossi può dare ai polaritoni molta più flessibilità per muoversi e scontrarsi tra loro in modi nuovi.

"I polaritoni Floquet sono pieni di sorprese; continuiamo ancora a capirli meglio, " ha detto Clark. "Il nostro prossimo ordine del giorno, anche se, sarà utilizzare questi fotoni in collisione per creare "fluidi" topologici di luce. È un momento tremendamente emozionante".

Avere copie di uno stato atomico a più energie offre anche interessanti possibilità per la conversione della frequenza ottica, uno strumento chiave nella creazione di metodi di comunicazione quantistica sicuri.

"Si scopre che scuotere le cose non è solo molto divertente, ma può portare a una scienza davvero affascinante, " ha detto Clark.