Os físicos da EPFL descobriram uma maneira de fazer com que os fótons interajam com pares de átomos pela primeira vez. A descoberta é importante para o campo da eletrodinâmica quântica de cavidades (QED), um campo de ponta abrindo caminho para as tecnologias quânticas.

Não há dúvida de que estamos caminhando continuamente em direção a uma era de tecnologias baseadas na física quântica. Mas para chegar lá, primeiro temos que dominar a capacidade de fazer a luz interagir com a matéria - ou, mais tecnicamente, fótons com átomos.

Isso já foi alcançado até certo ponto, dando-nos o campo de ponta da eletrodinâmica quântica de cavidade (QED), que já é usado em redes quânticas e processamento de informações quânticas. Apesar disso, ainda há um longo caminho a percorrer. As atuais interações de matéria leve são limitadas a átomos individuais, o que limita nossa capacidade de estudá-los no tipo de sistemas complexos envolvidos em tecnologias baseadas em quantum.

Em um artigo publicado em Natureza , pesquisadores do grupo de Jean-Philippe Brantut da Escola de Ciências Básicas da EPFL descobriram uma maneira de fazer os fótons se "misturarem" com pares de átomos em temperaturas ultrabaixas.

Os pesquisadores usaram o que é conhecido como gás Fermi, um estado da matéria feito de átomos que se assemelha ao dos elétrons dos materiais. "Na ausência de fótons, o gás pode ser preparado em um estado onde os átomos interagem fortemente uns com os outros, formando pares fracamente ligados, "explica Brantut." À medida que a luz é enviada para o gás, alguns desses pares podem ser transformados em moléculas quimicamente ligadas por absorção com fótons. "

Um conceito-chave neste novo efeito é que acontece "de forma coerente, "o que significa que o fóton pode ser absorvido para transformar um par de átomos em uma molécula, então emitido de volta, em seguida, reabsorvido várias vezes. "Isso implica que o sistema par-fóton forma um novo tipo de 'partícula' - tecnicamente uma excitação - que chamamos de 'par-polariton, '", diz Brantut." Isso é possível em nosso sistema, onde os fótons estão confinados em uma 'cavidade óptica' - uma caixa fechada que os força a interagir fortemente com os átomos. "

Os pares-polaritons híbridos assumem algumas das propriedades dos fótons, o que significa que eles podem ser medidos com métodos ópticos. Eles também assumem algumas das propriedades do gás Fermi, como o número de pares de átomos que tinha originalmente antes dos fótons que chegavam.

"Algumas das propriedades muito intrincadas do gás são traduzidas em propriedades ópticas, que pode ser medido de forma direta, e mesmo sem perturbar o sistema, "diz Brantut." Uma futura aplicação seria na química quântica, uma vez que demonstramos que algumas reações químicas podem ser produzidas de forma coerente usando fótons únicos. "