دانشمندان دانشگاه هاروارد و MIT به رهبری پروفسور میخائیل لوکین و ولادن وولتیک موفق‌ شدند با پیوند دادن فوتون‌ها به یکدیگر، مولکول‌هایی را برای ایجاد وضعیت جدیدی از ماده شکل دهند.

به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)، این وضعیت جدید همواره در حد نظریه وجود داشته است.

به گفته لوکین، کشف جدید با تفکر تثبیت‌شده چنددهه‌ای در خصوص ماهیت نور در تضاد است.

مدت‌های مدیدی است که فوتون‌ها به عنوان ذرات بدون جرمی توصیف شده‌اند که با یکدیگر تعاملی برقرار نمی‌کنند و چنانچه فردی دو پرتو لیزر را به سمت یکدیگر بتاباند، آن‌ها به سادگی از خلال یکدیگر عبور می‌کنند.

با این حال "مولکول‌های فوتونی" رفتاری متفاوت از لیزرهای معمولی دارند و مانند نوری هستند که بیشتر در داستان‌های تخیلی وجود دارند.

بسیاری از خواص نوری که محققان از آن آگاهی دارند، از این واقعیت ناشی می‌شود که فوتون‌ها بدون جرم بوده و این که آن‌ها با یکدیگر تعاملی ندارند.

آنچه دانشمندان در مطالعه جدید خود صورت داده‌اند، خلق نوع خاصی از محیط است که در آن فوتون‌ها به قدری قوی با یکدیگر تعامل برقرار می‌کنند که گویی دارای جرم هستند. آن‌ها در واقع، شروع به پیوستن به یکدیگر برای شکل‌دهی مولکول‌ها می‌کنند.

این نوع وضعیت پیوستگی فوتونی مدت‌های طولانی است که از لحاظ تئوری بحث شده و تاکنون مشاهده نشده بود.

برای به هم پیوستن فوتون‌های بدون جرم به یکدیگر، لوکین و همکارانش به مجموعه‌ای از شرایط بی‌نهایت تکیه کردند.

محققان با اتم‌های پمپاژشده به درون اتاقک خلا کار خود را آغاز کردند، سپس از لیزر برای خنک‌کردن ابر اتم‌ها تا چند درجه بالاتر از صفر مطلق استفاده کردند.

با استفاده از پالس‌های لیزری بی‌نهایت ضعیف، آن‌ها سپس فوتو‌ن‌های منفرد را به درون ابر اتم‌ها شلیک کردند.

زمانی که فوتون وارد ابری از اتم‌های سرد می‌شود، انرژی آن اتم‌ها را در طول مسیرش تحریک می‌کند و این امر موجب کندشدن قابل‌توجه فوتون‌ها می‌شود.

زمانی که این فوتون‌ها از خلال ابر حرکت می‌کنند، این انرژی از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شود و سرانجام با فوتون از ابر خارج می‌شود.

هنگامی که فوتون از این محیط خارج می‌شود، ماهیت آن حفظ می‌شود. این همان اثری است که در انکسار نور در لیوان آب می‌توان مشاهده کرد.

نور وارد آب می‌شود و بخشی از انرژی‌اش را به محیط می‌دهد و در درون آب نور و ماده به یکدیگر جفت شده‌اند، اما زمانی که از محیط خارج می‌شود، هنوز هم نور است.

فرایند مشاهده‌شده در این آزمایش نیز بدین صورت اما اندکی بی‌نهایت است و در آن نور به طور قابل‌توجی کند شده و انرژی زیادی در مقایسه با انکسار ساطع می‌شود.

زمانی که لوکین و همکارانش دو فوتون را به درون ابر شلیک کردند، آن دو با یکدیگر و به عنوان یک مولکول منفرد از محیط خارج شدند. این مولکول‌ها هرگز پیش‌تر مشاهده نشده بودند.

این اثر انسداد Rydberg نام دارد و در آن یک اتم تحریک می‌شود و اتم‌های مجاور نمی‌توانند به همان درجه تحریک شوند.

در عمل این اثر بدین معناست که فوتون وارد ابر اتمی می‌شود، نخستین فوتون یک اتم را تحریک می‌کند اما باید پیش از این که دومین فوتون اتم‌های مجاور را تحریک کند، به سمت جلو حرکت کند.

نتیجه این است که دو فوتون یکدیگر را از خلال ابر می‌کشند و هل می‌دهند، زیرا انرژی‌شان از اتمی به اتم بعدی تحویل داده می‌شود.

این یک تعامل فوتونی است که توسط تعامل اتمی میانجی‌گری می‌شود. این امر موجب می‌شود که این دو فوتون مانند یک مولکول رفتار کنند و هنگامی که آن‌ها از محیط خارج می‌شوند، به عنوان فوتون‌های منفرد و با یکدیگر خارج می‌شوند.

این اثر غیرمعمول بوده و دارای کارکردهای عملی است، زیرا فوتون‌ها بهترین ابزار برای حمل اطلاعات کوانتومی هستند.

برای ساخت یک رایانه کوانتومی محققان به ساختن سیستمی نیاز دارند که بتواند اطلاعات کوانتومی را با استفاده از عملیات‌های منظقی کوانتومی حفظ و پردازش کند.

با این حال، چالش اینجا است که منطق کوانتومی تعاملاتی را بین کوانتوم‌های منفرد می‌طلبد، به طوری که سیستم‌های کوانتومی بتوانند برای اجرای پردازش عملیاتی سوئیچ شوند. موفقیت جدید این عمل را تسهیل می‌بخشد.

این سیستم حتی با در نظرگرفتن چالش‌های اتلاف نیرویی که سازندگان تراشه با آن مواجه هستند، می‌تواند در محاسبات کلاسیک کارآمد باشد.

تعدادی از شرکت‌ها شامل IBM در حال طراحی سیستم‌هایی هستند که به روترهای نوری متکی‌اند و سیگنال‌های نوری را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند، اما چنین سیستم‌هایی مشکلات خاص خود را دارند.

لوکین معتقد است فناوری وی و همکارانش می‌تواند روزی برای ساخت سازه‌های سه‌بعدی پیچیده مانند بلورها از نور به کار رود.

جزئیات این موفقیت علمی در Nature منتشر شد.

انتهای پیام