Cada tipo de átomo no universo tem uma impressão digital única:ele apenas absorve ou emite luz nas energias particulares que correspondem às órbitas permitidas de seus elétrons. Essa impressão digital permite aos cientistas identificar um átomo onde quer que seja encontrado. Um átomo de hidrogênio no espaço sideral absorve luz com as mesmas energias que um na Terra.

Embora os físicos tenham aprendido como os campos elétricos e magnéticos podem manipular essa impressão digital, o número de recursos que o compõem geralmente permanece constante. Em trabalho publicado em 3 de julho na revista Natureza , Pesquisadores da Universidade de Chicago desafiaram esse paradigma agitando elétrons com lasers para criar recursos "doppelganger" em novas energias - um avanço que permite aos cientistas criar partículas híbridas que são parte átomo e parte luz, com uma grande variedade de novos comportamentos.

A pesquisa faz parte de um esforço maior da Assoc. Laboratório do Prof. Jonathan Simon para quebrar as paredes entre a matéria e a luz, a fim de investigar suas propriedades fundamentais. Além de aprender sobre como os materiais se comportam no nível quântico, esse trabalho poderia um dia ajudar a criar computadores mais poderosos ou comunicações quânticas virtualmente "impossíveis de hackear".

Um passo ao longo do caminho para fazer matéria a partir da luz é fazer pacotes individuais de luz, chamados fótons, interagir uns com os outros como a matéria. (Normalmente os fótons se movem à velocidade da luz e não reagem uns aos outros.)

"Para fazer os fótons colidirem uns com os outros, usamos átomos como intermediários, "disse o pesquisador de pós-doutorado Logan Clark, quem liderou a pesquisa. "Mas estávamos enfrentando um problema porque os fótons só interagem com átomos cujos orbitais eletrônicos estão em energias muito particulares. Então perguntamos:e se pudéssemos fazer cópias dos orbitais com quaisquer energias que quiséssemos?"

Clark já havia desenvolvido técnicas para manipular a matéria quântica sacudindo-a - chamada de engenharia Floquet - como parte de seu doutorado. projeto. O tipo certo de agitação produz naturalmente cópias de estados quânticos em várias energias ao longo do caminho. "Sempre vimos as cópias como um efeito colateral, e não como uma meta, " ele disse, "mas desta vez, sacudimos nossos elétrons com a intenção específica de fazer as cópias. "

Ao variar a intensidade de um campo de laser ajustado precisamente para uma ressonância atômica, a equipe foi capaz de mudar os orbitais de um elétron. Agitar os orbitais variando periodicamente essa intensidade produziu as cópias desejadas.

Mas esses doppelgangers vêm com uma pegadinha importante:"Embora o orbital atômico apareça em múltiplas energias distintas, é importante notar que essas cópias estão realmente ligadas ao original como fantoches, "explicou o pesquisador de pós-doutorado Nathan Schine, um co-autor do estudo. "Quando qualquer uma das cópias muda, o original e todas as outras cópias mudam com ele. "

Ao permitir que os fótons interajam com esses átomos agitados, a equipe criou o que eles chamam de "polaritons Floquet" - quase-partículas que são parte luz e parte átomo, e ao contrário dos fótons regulares, interagir uns com os outros fortemente. Essas interações são essenciais para fazer matéria a partir da luz. Fazer polaritons com átomos agitados pode dar aos polaritons muito mais flexibilidade para se moverem e colidirem uns com os outros de novas maneiras.

"Os polaritons Floquet estão cheios de surpresas; ainda continuamos a entendê-los melhor, "Clark disse." Nossa próxima ordem de negócios, no entanto, será usar esses fótons em colisão para fazer 'fluidos' topológicos de luz. É um momento extremamente emocionante. "

Ter cópias de um estado atômico em energias múltiplas também oferece possibilidades empolgantes para a conversão de frequência óptica - uma ferramenta chave na criação de métodos de comunicação quântica seguros.

"Acontece que sacudir as coisas não é apenas divertido, mas pode levar a uma ciência realmente fascinante, "Clark disse.