Fizycy postawili sobie za cel opracowanie najbardziej niezawodnych sposobów na kontrolowanie uwięzionego światła. Z perspektywy czasu możemy ocenić ich starania celująco, ponieważ nie tylko dopięli swego, ale dodatkowo zarejestrowali interakcje między światłem i materią, które dotychczas pozostawały poza zasięgiem.
Czytaj też: Kwantowa kostka Rubika vs fizycy. Ten pojedynek mógł mieć tylko jedno zakończenie
Kulisy zorganizowanych eksperymentów zostały opisane w artykule zamieszczonym w Nature Communications. Jego autorzy wyjaśniają, jaki wpływ mają na siebie fotony i elektrony znajdujące się w ekstremalnych środowiskach. Ostatecznie doprowadziło to do ujawnienia egzotycznych stanów kwantowych. Jeśli zaś chodzi o czysto praktyczne korzyści płynące z poczynionych postępów, to mówi się chociażby o powstaniu nowych typów obwodów kwantowych, prowadzeniu rekordowo szybkich obliczeń oraz utrzymanie wyjątkowo bezpiecznej komunikacji.
Na pierwszy plan w kontekście przeprowadzonych działań wysuwają się trójwymiarowe kryształy fotoniczne. To właśnie dzięki nim członkowie zespołu badawczego zyskali możliwość kontrolowania interakcji z udziałem światła i materii. Do sukcesu zapewne nigdy by nie doszło, gdyby nie struktura określana mianem trójwymiarowej wnęki kryształu fotonicznego.
Trójwymiarowe kryształy fotoniczne posłużyły fizykom do badania interakcji z elektronami
Wnęki optyczne były wykorzystywane już wcześniej, ale zwykle stosowano te o stosunkowo prostych konstrukcjach. Autorzy nowych badań postanowili pójść o krok dalej i stworzyć coś znacznie bardziej rozbudowanego. W trójwymiarowym wydaniu ich wnęka pozwoliła im na zrozumienie, co się stanie, gdy kilka trybów tej struktury wejdzie w jednym momencie w interakcje z elektronami.
Jak wyjaśnia jeden z ekspertów zaangażowanych w cały projekt, Junichiro Kono, zaprojektowana wnęka ogranicza światło, co wyraźnie wzmacnia pola elektromagnetyczne i prowadzi do silnego sprzężenia między światłem a materią. W takich okolicznościach powstają stany superpozycji kwantowej, które określa się mianem polarytonów. Te są swego rodzaju hybrydowymi stanami na linii światło-materia.
Czytaj też: Zadziwiająca forma magnetyzmu doprowadziła do odkrycia nowej klasy materiałów
Dzięki nim fizycy mają sposób na kontrolowanie i manipulowanie światłem w bardzo małej skali. Ze względu na możliwość występowania grupowych zachowań z udziałem polarytonów, naukowcy mogliby je wykorzystywać między innymi w prowadzeniu zaawansowanych obliczeń kwantowych czy projektowaniu nowatorskich obwodów czy czujników kwantowych.
Śledzenie interakcji zachodzących wewnątrz wnęki było możliwe dzięki promieniowaniu terahercowemu. Ostatecznie fizykom ze Stanów Zjednoczonych udało się wykazać, że mody wnękowe oddziałują z poruszającymi się elektronami, a multimodalne sprzężenie światła z materią jest dyktowane przez polaryzację światła prowadzącego do pojawienia się jednej z dwóch form interakcji. Bardziej interesującą z tych dwóch opcji jest tak, w której w grę wchodzą tryby hybrydowe, które torują drogę do mnogości potencjalnych zastosowań tej technologii.