Fotonická molekula - Photonic molecule

Fotonické molekuly jsou teoretická přirozená forma hmoty, kterou lze také uměle vyrobit fotony svázat dohromady a vytvořitmolekuly ".^[1][2][3] Poprvé byly předpovězeny v roce 2007. Fotonické molekuly se tvoří, když jednotlivé (nehmotné) fotony „vzájemně interagují tak silně, že působí, jako by měly hmotu“.^[4] V alternativní definici (která není ekvivalentní) fotony omezené na dvě nebo více spojených optických dutin také reprodukují fyziku interagujících úrovní atomové energie a byly označovány jako fotonické molekuly.

Vědci nakreslili analogie mezi fenoménem a fiktivním "světelný meč " z Hvězdné války.^[4][5]

Konstrukce

Plynný rubidium atomy byly čerpány do vakuové komory. Mrak byl chlazeno pomocí laserů jen o několik stupňů nad absolutní nulou. Pomocí slabých laserových pulzů bylo do mraku vystřeleno malé množství fotonů.^[4]

Když fotony vstoupily do mraku, jejich energie vzrušovala atomy podél jejich dráhy, což způsobilo, že ztratili rychlost. Uvnitř oblačného média se fotony disperzně spojily se silně interagujícími atomy ve vysoce vzrušených Rydberg uvádí. To způsobilo, že se fotony chovaly jako masivní částice se silnou vzájemnou přitažlivostí (molekuly fotonů). Nakonec fotony společně opustily mrak jako normální fotony (často zapletené ve dvojicích).^[4]

Efekt je způsoben tzv Rydbergova blokáda, který v přítomnosti jednoho excitovaného atomu zabraňuje excitaci blízkých atomů ve stejné míře. V tomto případě, když dva fotony vstupují do atomového mraku, první excituje atom a ničí se v interakci, ale přenášená energie se musí pohybovat dopředu uvnitř excitovaného atomu, než druhý foton může vzrušit blízké atomy. Ve skutečnosti se oba fotony navzájem tlačí a táhnou skrz mrak, když jejich energie přechází z jednoho atomu na druhý, což je nutí k interakci. Tato fotonická interakce je zprostředkována elektromagnetickou interakcí mezi fotony a atomy.^[4]

Možné aplikace

Interakce fotonů naznačuje, že účinek by mohl být použit k vybudování systému, který dokáže uchovat kvantové informace, a zpracovat je pomocí kvantových logických operací.^[4]

Tento systém by mohl být také užitečný v klasických výpočtech, vzhledem k mnohem nižšímu výkonu potřebnému k manipulaci s fotony než elektrony.^[4]

Je možné uspořádat fotonické molekuly tak, aby v médiu vytvářely větší dvourozměrné struktury (podobné výkresům).^[4]

Interakce optických dutin jako fotonických molekul

Termín fotonická molekula se od roku 1998 používá také pro nepříbuzný jev zahrnující elektromagneticky interagující optické mikrodutiny. Vlastnosti kvantovaných omezených fotonových stavů v optických mikro- a nanokaviditách jsou velmi podobné vlastnostem omezených elektronových stavů v atomech.^[6] Díky této podobnosti lze optické mikrodutiny nazývat „fotonické atomy“. Vezmeme-li tuto analogii ještě dále, shluk několika vzájemně vázaných fotonických atomů vytvoří fotonickou molekulu.^[7] Když se jednotlivé fotonické atomy dostanou do těsné blízkosti, jejich optické režimy interagují a vytvářejí spektrum hybridizovaných super-režimů fotonických molekul.^[8] To je velmi podobné tomu, co se stane, když jsou spojeny dva izolované systémy, jako dva atomové orbitaly vodíku sešli a vytvořili lepení a antibonding orbitaly molekula vodíku, což jsou hybridní super-režimy celého spojeného systému.

"Kousek polovodiče o velikosti mikrometru může uvnitř fotonu zachytit fotony takovým způsobem, že fungují jako elektrony v atomu. Nyní PRL z 21. září popisuje způsob, jak spojit dva z těchto" fotonických atomů "dohromady. Výsledek takového blízký vztah je „fotonická molekula“, jejíž optické režimy se silně podobají elektronickým stavům diatomické molekuly, jako je vodík. “^[9] „Fotonické molekuly, pojmenované analogicky s chemickými molekulami, jsou shluky blízko umístěných elektromagneticky interagujících mikrodut nebo„ fotonických atomů “.“^[10] „Opticky spojené mikrodutiny se ukázaly jako fotonické struktury se slibnými vlastnostmi pro výzkum základní vědy i pro aplikace.“^[11]

První fotonická realizace dvoustupňového systému fotonické molekuly byla Spreew et al.,^[12] kdo použil optická vlákna realizovat a kruhový rezonátor, ačkoli nepoužili termín „fotonická molekula“. Dva režimy tvořící molekulu by pak mohly být polarizace režimy prstenu nebo režimy prstenu ve směru hodinových ručiček a proti směru hodinových ručiček. Poté následovala ukázka litograficky vyrobené fotonické molekuly, inspirované analogií s jednoduchou diatomickou molekulou.^[13] Byly však navrženy další struktury PM inspirované přírodou (například „fotonický benzen“), které podporují omezené optické režimy úzce podobné molekulárním orbitalům jejich chemických protějšků v základním stavu.^[14]

Fotonické molekuly nabízejí výhody oproti izolovaným fotonickým atomům v různých aplikacích, včetně bio (chemického) snímání,^[15][16] dutinová optomechanika,^[17][18] a mikrolasery,^{[19][20][21][22]} Fotonické molekuly lze také použít jako kvantové simulátory fyziky mnoha těl a jako stavební kameny budoucích optických sítí pro zpracování kvantových informací.^[23]

Úplně analogicky byly shluky kovových nanočástic - které podporují omezené povrchové plazmonové stavy - označovány jako „plazmonické molekuly“.^{[24][25][26][27][28]}

Nakonec byly rovněž navrženy a demonstrovány hybridní fotonicko-plazmonické (nebo opto-plazmonické) molekuly.^{[29][30][31][32]}

Viz také

• Fotoluminiscence
• Světelný éter

Reference

externí odkazy

• http://prl.aps.org/abstract/PRL/v81/i12/p2582_1