Faça uma experiência rápida:leve duas lanternas para uma sala escura e ilumine-as de modo que seus feixes de luz se cruzem. Notou algo peculiar? A resposta um tanto anticlimática é, provavelmente não. Isso ocorre porque os fótons individuais que constituem a luz não interagem. Em vez de, eles simplesmente passam um pelo outro, como espíritos indiferentes à noite.

Mas e se as partículas de luz pudessem interagir, atraindo e repelindo uns aos outros como átomos na matéria comum? Um tentador, embora possibilidade de ficção científica:sabres de luz - feixes de luz que podem puxar e empurrar uns aos outros, tornando-se deslumbrante, confrontos épicos. Ou, em um cenário mais provável, dois feixes de luz poderiam se encontrar e se fundir em um único, fluxo luminoso.

Pode parecer que tal comportamento óptico exigiria quebrar as regras da física, mas de fato, cientistas do MIT, Universidade de Harvard, e em outros lugares agora demonstraram que os fótons podem de fato interagir - uma conquista que poderia abrir um caminho para o uso de fótons na computação quântica, se não em sabres de luz.

Em um artigo publicado hoje na revista Ciência , O time, liderado por Vladan Vuletic, o professor de física Lester Wolfe no MIT, e o professor Mikhail Lukin da Universidade de Harvard, relata que observou grupos de três fótons interagindo e, na verdade, unindo-se para formar um tipo completamente novo de matéria fotônica.

Em experimentos controlados, os pesquisadores descobriram que quando eles emitiram um feixe de laser muito fraco através de uma nuvem densa de átomos de rubídio ultracold, em vez de sair da nuvem sozinho, fótons espaçados aleatoriamente, os fótons unidos em pares ou trigêmeos, sugerindo algum tipo de interação - neste caso, atração - ocorrendo entre eles.

Embora os fótons normalmente não tenham massa e viajem a 300, 000 quilômetros por segundo (a velocidade da luz), os pesquisadores descobriram que os fótons vinculados, na verdade, adquiriram uma fração da massa de um elétron. Essas partículas de luz recentemente pesadas também eram relativamente lentas, viajando cerca de 100, 000 vezes mais lento do que os fótons normais sem interação.

Vuletic diz que os resultados demonstram que os fótons podem de fato atrair, ou se enredar. Se eles puderem interagir de outras maneiras, os fótons podem ser aproveitados para um desempenho extremamente rápido, computações quânticas incrivelmente complexas.

"A interação de fótons individuais tem sido um sonho muito longo por décadas, "Vuletic diz.

Os co-autores de Vuletic incluem Qi-Yung Liang, Sergio Cantu, e Travis Nicholson do MIT, Lukin e Aditya Venkatramani de Harvard, Michael Gullans e Alexey Gorshkov, da Universidade de Maryland, Jeff Thompson, da Princeton University, e Cheng Ching, da Universidade de Chicago.

Crescendo e crescendo

Vuletic e Lukin lideram o MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, e juntos eles têm procurado maneiras, teórico e experimental, para encorajar as interações entre os fótons. Em 2013, o esforço valeu a pena, enquanto a equipe observava pares de fótons interagindo e se ligando pela primeira vez, criando um estado totalmente novo da matéria.

Em seu novo trabalho, os pesquisadores se perguntaram se as interações poderiam ocorrer não apenas entre dois fótons, mas mais.

"Por exemplo, você pode combinar moléculas de oxigênio para formar O2 e O3 (ozônio), mas não O4, e para algumas moléculas você não pode formar nem mesmo uma molécula de três partículas, "Vuletic diz." Portanto, era uma questão em aberto:você pode adicionar mais fótons a uma molécula para tornar as coisas cada vez maiores? "

Descobrir, a equipe usou a mesma abordagem experimental usada para observar as interações de dois fótons. O processo começa com o resfriamento de uma nuvem de átomos de rubídio a temperaturas ultracold, apenas um milionésimo de grau acima do zero absoluto. O resfriamento dos átomos os retarda quase até a paralisação. Através desta nuvem de átomos imobilizados, os pesquisadores então emitem um feixe de laser muito fraco - tão fraco, na verdade, que apenas um punhado de fótons viaja através da nuvem a qualquer momento.

Os pesquisadores então medem os fótons conforme eles saem do outro lado da nuvem de átomos. No novo experimento, eles descobriram que os fótons fluíam como pares e trigêmeos, em vez de sair da nuvem em intervalos aleatórios, como fótons únicos que nada têm a ver uns com os outros.

Além de rastrear o número e a taxa dos fótons, a equipe mediu a fase dos fótons, antes e depois de viajar pela nuvem de átomos. A fase de um fóton indica sua frequência de oscilação.

"A fase mostra o quão fortemente eles estão interagindo, e quanto maior a fase, quanto mais fortes eles estão ligados, "Venkatramani explica. A equipe observou que quando as partículas de três fótons saíram da nuvem de átomos simultaneamente, sua fase foi alterada em comparação com o que era quando os fótons não interagiam, e era três vezes maior do que a mudança de fase das moléculas de dois fótons. "Isso significa que esses fótons não estão apenas interagindo de forma independente, mas eles estão todos juntos interagindo fortemente. "

Encontros memoráveis

Os pesquisadores então desenvolveram uma hipótese para explicar o que pode ter causado a interação dos fótons em primeiro lugar. O modelo deles, baseado em princípios físicos, apresenta o seguinte cenário:Como um único fóton se move através da nuvem de átomos de rubídio, ele pousa brevemente em um átomo próximo antes de pular para outro átomo, como uma abelha voando entre as flores, até chegar ao outro lado.

Se outro fóton estiver viajando simultaneamente pela nuvem, ele também pode gastar algum tempo em um átomo de rubídio, formando um polariton - um híbrido que é parte do fóton, parte do átomo. Então, dois polaritons podem interagir um com o outro por meio de seu componente atômico. No limite da nuvem, os átomos permanecem onde estão, enquanto os fótons saem, ainda unidos. Os pesquisadores descobriram que esse mesmo fenômeno pode ocorrer com três fótons, formando uma ligação ainda mais forte do que as interações entre dois fótons.

"O interessante é que esses trigêmeos se formaram, "Vuletic diz." Também não se sabia se eles seriam iguais, menos, ou mais fortemente ligado em comparação com pares de fótons. "

Toda a interação dentro da nuvem de átomos ocorre ao longo de um milionésimo de segundo. E é essa interação que aciona os fótons para permanecerem ligados, mesmo depois de terem saído da nuvem.

"O que é legal sobre isso é, quando os fótons passam pelo meio, qualquer coisa que aconteça no meio, eles 'lembram' quando saem, "Cantu diz.

Isso significa que os fótons que interagiram entre si, neste caso, por meio de uma atração entre eles, pode ser considerado como fortemente correlacionado, ou emaranhado - uma propriedade chave para qualquer bit de computação quântica.

"Os fótons podem viajar muito rápido por longas distâncias, e as pessoas têm usado a luz para transmitir informações, como em fibras ópticas, "Vuletic diz." Se os fótons podem influenciar uns aos outros, então, se você pode emaranhar esses fótons, e nós fizemos isso, você pode usá-los para distribuir informações quânticas de uma forma interessante e útil. "

Daqui para frente, a equipe procurará maneiras de coagir outras interações, como repulsão, onde os fótons podem se espalhar como bolas de bilhar.

"É completamente novo no sentido de que às vezes nem sabemos qualitativamente o que esperar, "Vuletic diz." Com repulsão de fótons, podem ser tais que formem um padrão regular, como um cristal de luz? Ou algo mais acontecerá? É um território muito desconhecido. "