Cientistas da Universidade de Bath, no Reino Unido, descobriram uma maneira de unir dois fótons de cores diferentes, pavimentando o caminho para avanços importantes na eletrodinâmica quântica - o campo da ciência que descreve como a luz e a matéria interagem. Em tempo, as descobertas da equipe são susceptíveis de impactar os desenvolvimentos em comunicação óptica e quântica, e medições precisas de frequência, tempo e distâncias.

Maçã e onda:ambas têm massa

Uma maçã caindo de uma árvore tem velocidade e massa, que juntos lhe dão impulso. A 'energia da maçã' derivada do movimento depende do momento e da massa da fruta.

A maioria das pessoas acha o conceito de momentum e energia (e, portanto, massa) fácil de entender quando está associado a objetos sólidos. Mas a ideia de que objetos imateriais, como ondas de luz (tudo, desde luz solar até radiação de laser), também ter uma massa é surpreendente para muitos. Entre os físicos, Contudo, é um fato bem conhecido. Essa ideia aparentemente paradoxal de que as ondas têm massa marca o lugar onde a física quântica e o mundo físico se encontram.

A dualidade onda-partícula, proposto pelo físico francês Louis de Broglie em 1924, é um conceito poderoso que descreve como cada partícula ou entidade quântica pode ser descrita como uma partícula ou uma onda. Muitas das chamadas quasipartículas foram descobertas que combinam dois tipos diferentes de partículas de matéria, ou ondas de luz ligadas a uma partícula de matéria. Uma lista de quasipartículas exóticas inclui fônons, plasmons, magnons e polaritons.

A equipe de físicos em Bath relatou agora uma maneira de criar quasipartículas que unem duas partículas de luz de cores diferentes. Eles chamaram essas formações de polaritons fóton-fóton.

Detectando polaritons fóton-fóton

A oportunidade de descobrir, e manipular, fótons-fótons é possível graças ao desenvolvimento relativamente novo de microrressonadores de alta qualidade. Para luz, microrressonadores atuam como pistas de corrida em miniatura, com fótons passando ao redor da estrutura interna em loops. A assinatura deixada pelos fótons-fótons na luz que sai do microrressonador pode ser ligada ao efeito Autler-Townes, um fenômeno peculiar na teoria quântica que descreve fortes interações fóton-átomo. Para alcançar este efeito em microrressonadores, um laser é sintonizado para a frequência de ressonância específica onde se espera que um fóton seja absorvido, no entanto, não ocorre absorção de ressonância. Em vez de, a interação fóton-fóton constitui duas novas frequências de ressonância a partir da antiga.

Uma característica significativa que emergiu da pesquisa de Bath é que o microrressonador forneceu todo um conjunto de ressonâncias divididas, onde cada par fóton-fóton exibia seu próprio momento e energia, permitindo aos pesquisadores aplicar o conceito de quasipartícula e calcular a massa. De acordo com as previsões dos pesquisadores, fótons-fótons são 1, Mais de 000 vezes mais leve do que os elétrons.

Professor Dmitry Skryabin, o físico que liderou a pesquisa, disse:"Agora temos uma situação em que microrressonadores - que são objetos em escala milimétrica - se comportam como átomos gigantes. O conceito de átomos artificiais está rapidamente ganhando terreno na eletrodinâmica quântica de microondas em circuitos supercondutores, enquanto aqui estamos olhando para uma oportunidade semelhante na faixa óptica de frequências.

"A pequena massa de fótons-fótons pode levar a novos desenvolvimentos de muitas analogias importantes entre luz e fluidos, onde outras famílias de quasipartículas já estão sendo usadas. "

Ph.D. estudante Vlad Pankratov, quem participou do projeto, disse:"Depois de um ano executando modelos e coletando dados, essas são descobertas incrivelmente empolgantes para nós. As aplicações potenciais de nossos resultados estão nos esquemas de comunicação óptica quântica e terabit, e na área de medições de precisão. "

O artigo "Photon-photon polaritons in χ (2) microresonators" é publicado em Pesquisa de revisão física .