Fotonická hmota poprvé stvořena v laboratoři  
Fotony vstřelené do kvantového nelineárního média z ultrachladných Rydbergových atomů rubidia se chovají jako by byly hmotné a dokonce i vytvářejí fotonické molekuly. Už někdo informoval Georga Lucase?


 

Zvětšit obrázek
Yoda by pokroky ve vývoji fotonické hmoty jistě uvítal. Kredit: Lucasfilm.

Hmota tvořená fotony, které navzdory svojí pověsti předstírají, že mají hmotnost a které mohou vytvářet fotonické molekuly? Donedávna čistě teoretická záležitost, bláznivina. Jenže teď Vladan Vuletić z MIT a jeho tým vyrobili kvantové nelineární médium, v němž se fotony pohybují jako hmotné částice a navzájem se přitahují.

 

Zvětšit obrázek
Vladan Vuletić. Kredit: MIT.


Udělali to tak, že do vakuové komory napumpovali plyn z atomů rubidia. Rubidiový oblak poté zchladili lasery na teplotu blízkou absolutní nule. Když vytvořili extrémní a kvantově podivné prostředí, tak do něj velice slabými laserovými pulzy stříleli jednotlivé fotony. Jakmile fotony vlétly do oblaku zmražených atomů rubidia, tak jejich energie excitovala okolní atomy a fotony tím pádem dramaticky zpomalily. Uvnitř oblaku pak fotony rozptýleně interagovaly s vysoce excitovanými Rydbergovými atomy, což jsou atomy, jejichž jeden či více elektronů mají velmi vysoké hlavní kvantové číslo a obíhají velmi daleko od jádra a ostatních elektronů dotyčného atomu.

 

Zvětšit obrázek
Schéma experimentu. F = přitažlivost fotonů ve fotonické molekule. Kredit: Firstenberg et al. (2013), Nature.


Když Vuletić a spol. vystřelili do oblaku rubidia dva nezávislé fotony, tak vyletěly z oblaku ven spárované do podoby fotonické molekuly. Podle všeho zaúřadovala takzvaná Rydbergova blokáda, která spočívá v tom, že když je jeden atom excitovaný, tak okolní atomy nemohou být excitovány stejným způsobem. V praxi to vypadalo tak, že když vlétla do oblaku atomů rubidia dvojice fotonů, tak první z nich excitoval nějaký atom rubidia a musel se pohnout vpřed, aby druhý z fotonů mohl excitovat nějaký jiný atom rubidia. Dotyčné fotony se vlastně navzájem protlačily skrz kvantové nelineární médium z rubidia a jejich energii si přitom navzájem přihrávaly okolní atomy.


 

Zvětšit obrázek
Lucas a Darth Vader, prozatím bez světelného meče. Kredit: Yeti9000.

Právě díky interakcím mezi Rydbergovými atomy si k sobě nakonec jinak zcela samotářské fotony našly cestu. A fotonická hmota byla na světě. Autoři otevřeně prohlašují, že tohle dělají pro zábavu a proto aby posouvali hranice lidského poznání. Jejich hrátky ale slibují i pozoruhodné praktické využití. Fotonickou hmotu by bylo možné použít při vývoji fotonických systémů, které uchovávají kvantovou informaci a zpracovávají ji s kvantovými logickými operacemi. Zároveň by ji ale bylo možné využít i v klasické výpočetní technice a zlepšit tak její energetickou úspornost, protože manipulace s fotony je mnohem méně náročná na energii, než když manipulujeme s elektrony.


Vuletić a spol. také naznačují, že by se z fotonické hmoty jednou mohly vytvářet složité trojrozměrné objekty, strukturou připomínající krystaly, které by vlastně byly celé ze světla. Světelné meče z Hvězdných válek to sice ještě nebudou, ale kdo ví, možná jsme teď právě vykročili tím správný směrem. Teď každopádně máme k dispozici novou, doposud nevídanou formu hmotu a můžeme si s ní hrát dle libosti. Možná se brzy objeví ještě divočejší aplikace tohoto pozoruhodného fenoménu.

 

 

 


Literatura

Harvard University News 25. 9. 2013, Nature 502: 71–75, Wikipedia (Photonic molecule, Rydberg atom).





____________________________________________________________________
Poznámka redakce - upozornění na akci našeho autora:

Ústav makromolekulární chemie vás srdečně zve na vědecko – populární přednášku: Je možná hvězdná budoucnost lidstva? aneb povídání o možné kolonizaci vesmíru

Zatím lidstvo kolonizuje Sluneční soustavu či dokonce Galaxii pouze v dílech autorů science fiction. Aby se vize popsané v jejich dílech realizovali i ve skutečnosti, musí se vyřešit zdroje energie pro pohon kosmických plavidel i zajištění životních podmínek. Také však způsob ochrany lidí před vražedným prostředím meziplanetárního a mezihvězdného prostředí. Seminář se pokusí konfrontovat fantastické vize s realitou a posoudit možnosti, které před sebou lidstvo v této oblasti má. Tyto úvahy jsou aktuální i na základě rychlého zvětšování počtu objevených exoplanet, které by mohly být cílem mezihvězdných letů.

Přenášku bude vést Vladímír Wagner z Oddělení jaderné spektroskopie ,Ústav jaderné fyziky AV ČR
Vladímíra Wagnera doře znáte z článků na Oslovi v rubrice Fyzika. Na svém mateřském pracovišti v Řeži se zabývá výzkumem možnosti využití produkce neutronů pomocí tříštění jader protony s velmi vysokou energií a využitím tohoto procesu pro "spalování" jaderného odpadu.

KDE: Ústav Makromolekulárnie chemie AV CR v.v.i., Heyrovského nam. 2, Praha 6 – Břenov, 162 06, posluchárna A, Tram č. 1, zastávka Petřiny.
KDY: 10.10.2013, přednáška začína v 16:30, posluchárna A, vestibul ústavu.

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 05.10.2013 09:23
Tisk článku

Build Your Own Superheroes Sticker Book - Tudhope S.
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 192 Kč
cena: 170 Kč
Build Your Own Superheroes Sticker Book
Tudhope S.

Diskuze:

Světelné meče

Miroslav Jakl,2013-10-13 23:23:20

V Hvězdných válkách mají hl.protagonisté Light Sabers-světelné meče. Z filmů sice nevyplývá, že by to snad měly být laserové meče, ale to je koneckonců jedno... George Lucas se však svou uměleckou invencí a zároveň i fyzikálním myšlením rozkročil hodně zeširoka a nastavil současné i budoucí vědě docela zajímavý oříšek v oblasti kvantové mechaniky, fotoniky a dalších zatím neprozkoumaných fyzikálních jevů a teorií a totiž takový, zda lze generovat optický paprsek, který by měl definovanou/omezenou délku svého působení... Mechanický meč si vykoveme 1m délky, umíme to i s optickou zbraní?

Odpovědět

Vytvorenie páru

Maroš Štulajter,2013-10-10 16:44:44

častica anti častica sa tiež môže uskutočniť dvoma fotónmi ktoré su v superpozícii, napr. 2x 511 kev môžme získať pár elektrón pozitrón, aký je v tom rozdiel s fotónovou hmotou?

Odpovědět

ještě k tématu

Jan Kment,2013-10-06 14:31:03

Světlo se, pokud vím, při každém průchodu hmotou poněkud zpomalí (a také ztrácí intenzitu), z toho by se mohlo zdát, že k něčemu podobnému, v minimální míře, dochází při každém průchodu hmotou? Také by mě zajímalo, jak je tahle fotonová hmota stabilní (nebo spíš nestabilní)?

Odpovědět


Proč by se mělo zpomalit?

Matěj Morávek,2013-11-01 10:42:41

Proč by se mělo zpomalit? Právě proto, že fotony jsou nehmotné (standardně), při ztrátě energie se pouze sníží intenzita záření, ale rychlost světla je vždy daná vlastnostmi aktuálního prostředí, kterým světlo proletá (také se označuje jako index lomu).
V článku se také píše o zpomalení fotonů uvnitř rubidiového plynu, ale ve vakuu mimo plyn se už zase budou pohybovat normální rychlostí světla ve vakuu.

Odpovědět

Jakub Rint,2013-10-06 08:48:26

Děkuji za odkaz, "A laser photon hits the atom and causes it to emit photons of a higher average energy than the one it absorbed from the laser. The energy difference comes from thermal excitations within the atoms, and this heat from the thermal excitation is converted into light which then leaves the atom as a photon. This can also be seen from the perspective of the law of conservation of momentum. When an atom is traveling towards a laser beam and a photon from the laser is absorbed by the atom, the momentum of the atom is reduced by the amount of momentum of the photon it absorbed." sice netuším proč se tak děje, ale již chápu jak :)

Odpovědět


Je to prosté

Pavel A1,2013-10-06 11:19:19

Jak už někdo napsal, teplo je jen chaotický pohyb atomů. Když budu do obláčku atomů svítil laserem, který má frekvenci těsně pod frekvencí nějakého přechodu toho atomu, tak ten laser bude excitovat jen atomy pohybující se dostatečně rychle k tomu laseru (protože vlivem Doplerova efektu bude pro ně frekvence toho laseru vyšší a tím pádem bude stačit k excitaci). Při deexcitaci pak vyzáří foton, který má vyšší energii než je energie fotonu který atom pohltil (vzhledem k laboratoři, ne k tomu atomu) a tím se jeho rychlost ve směru k tomu laseru v průměru zpomalí. (Samozřejmě, při vhodném směru vyzáření toho fotonu může atom i zrychlit, ale to je méně pravděpodobné, než že zpomalí, takže v průměru bude zpomalován.) Když pak do toho obláčku budete svítit více lasery z více stran, dojde k ochlazení toho obláčku.

Odpovědět

Roman C,2013-10-05 21:12:00

Nejdříve si musíme uvědomit, co ve fyzikální podstatě znamená teplo. Jedna se o kmitání atomu. Atomy s teplotou velmi blízkou absolutní nule se přestávají pohybovat právě ona klidnost částic muže za to, ze se začnou projevovat zvláštní kvatove mechanické jevy (einstein-bolzmanuv kondenzát, a dalsi), tedy hodně v kostce.
Kdyz vezmeme malé množství atomu, přesně je vycentrujeme v magnetickém poli, a budeme počítat i s jevy jako gravitace, můžeme začít atomy ostřelovat laserem daně frekvence a energie takovým způsobem, aby laser harmonickou frekvenci eliminovat kmity atomu. Jiz pred několika desítkami let se takto fyzici dokážou přiblížit tak extrémně nizkYm teplotám. Omlouvam se za stručnost , na druhou stranu nejsem fyzik :-)

Odpovědět

chlazení laserem ?

Jakub Rint,2013-10-05 17:58:44

"Rubidiový oblak poté zchladili lasery na teplotu blízkou absolutní nule" Mohl by mi prosím někdo vysvětlit, jak se chladí laserem ?

Odpovědět


Ahura Mazda,2013-10-05 18:54:36

Tady o tom něco málo je, nejsem expert, takže nevím, jak moc jsou ty informace přesné, ale minimálně jako rozcestník pro další studium by to mohlo posloužit.

http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cooling

Odpovědět

Dík

Josef Jindra,2013-10-05 15:23:18

Už takhle je mi dost nejasná podstata hmoty na úrovni elementárních částic a tenhle efekt mi tedy k tomu také nepřidal :D . Navíc, co si mám představit pod pojmem dramatické zpomalení fotonu ?
Jinak dík za článek, je strašně fajn že to člověk nemusí lovit někde v prostoru v angličtině a může si to v pohodě přečíst tady a česky.

Odpovědět


Barak Obava,2013-10-05 16:22:53

Co se děje v tom obláčku. Foton vletí dovnitř a srazí se s atomem rubidia. Protože má správnou energii, dojde k excitaci atomu - energie fotonu se v něm uloží přechodem elektronu na vyšší energetickou hladinu. To ovšem nemá dlouhého trvání, elektron zase seskočí na tu původní a dojde k vyzáření fotonu a to náhodným směrem. Tak je jasné, že tomu fotonu bude trvat poněkud déle cesta skrz obláček, než kdyby tam bylo vakuum.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni