نور و فوتون ها

[N.Sayah]

مولکول هایی از نور

هر چند فوتون ها تقریبا هیچ اندرکنشی با یکدیگر ندارند، اما فیزیک پیشگان به تازگی با ایجاد تعامل بین آنها به نحوی دو فوتون را درهم تنیده کرده اند که شبیه یک مولکول رفتار می کنند
اولین مولکول های ساخته شده از دو فوتونِ نور، توسط فیزیکدانانی در آمریکا ایجاد شدند. آزمایش آنها شامل پرتاب جفت فوتون هایی در یک گاز فراسرد است، که در آن نوعی برهم کنش جاذبه ای باعث به هم چسبیدن فوتون ها شده و آنها را از نظر مکانیک کوانتومی درهم تنیده می کند. این موفقیت، به کامپیوترهای معمولی و همچنین به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می دهد تا با استفاده از فوتون ها، اطلاعات را رمزنگاری و پردازش کنند.
فوتون ها معمولا بدون هیچ برهم کنشی از کنار یکدیگر عبور می کنند، از این رو مقید کردن آنها به هم، کار چندان ساده ای نیست، البته، هر فوتون متناظر با یک میدان الکترومغناطیسی است که می تواند محیط پیرامون اش را تحت تاثیر بگذارد. این تغییرات می تواند فوتون های اطراف را نیز متاثر کرده و برهم کنش موثری بین آنها ایجاد کند. اگرچه این اتفاق نادری است، اما اگر محیط به دقت انتخاب شود، چنین برهم کنش هایی می تواند بسیار چشم گیر باشد.

در این مطالعه جدید، تیمی به رهبری میکائیل لوکین (Mikhael Lukin) در دانشگاه هاروارد و ولادان ولتیک (Vladan Vuletic) در موسسه فنآوری ماساچوست، با فرستادن فوتون ها درون گاز سرد شده ای از اتم های روبیدیوم، برهم کنش های قوی ای را بین فوتون ها ایجاد کردند. این گاز تنها چند کلوین دما داشت. در این آزمایش از لیزر آبی رنگی با طول موجی دقیقا برابر با 479 نانومتر استفاده شد، که اتم های روبیدیوم را به گونه ای دچار تغییر می کند که یک فوتون می تواند برخی از انرژی اش را با چندین اتم به اشتراک بگذارد و یک حالت گزینشی ریدبرگ را به وجود آورد. این حالت مانند یک اتم ریدبرگ است – که در آن یک الکترون به حالتی با انرژی بسیار زیاد برانگیخته شده است- اما در عوض این الکترون در بین چندین اتم به اشتراک گذاشته می شود.

این حالتِ ریدبرگ، مانند یک فوتونِ کُند با جرم غیر صفر درون گاز منتشر می شود و زمانی که حالت گزینش شده به انتهای مقابلِ ابرِگازی می رسد، فوتون به انرژی اولیه اش بازمی گردد. البته زمانی که یک حالت ریدبرگ به وجود می آید، به علت فرایندی به نام انسداد ریدبرگ، وقوع حالت های ریدبرگ بیشتر را در آن نزدیکی غیرممکن می سازد. بنابراین، زمانی که دو فوتون در فاصله کوتاهی به درون گازی پرتاب می شوند، تنها اولین فوتون است که یک حالت ریدبرگ را به وجود می آورد. چون ناحیه حالت ریدبرگ ضریب شکست متفاوتی نسبت به سایر قسمت های گاز دارد، از این رو باعث می شود که فوتون دوم زمانی که در حال عبور از گاز است در نزدیکی فوتون اول باقی بماند.

با هم خارج شدن

این تیم برای کشف تمایل فوتون ها به ماندن با یکدیگر، بازه زمانی بین آشکارسازی اولین و دومین فوتون را اندازه گیری کردند. آنها مشاهده کردند که به جای اینکه فوتون دوم از فوتون حالتِ ریدبرگِ آهسته تر سبقت بگیرد، در عوض هر دو فوتون تمایل دارند با هم از گاز خارج شوند. لوکین در این باره می گوید « این یک برهم کنش فوتونی است که به واسطه برهم کنش اتمی ایجاد شده است، که باعث می شود این دو فوتون مانند یک مولکول رفتار کنند ». او همچنین می افزاید « از این رو زمانی که این فوتون ها محیط را ترک می کنند، تمایل بسیار زیادی دارند تا با یکدیگر باشند».

این تیم همچنین نشان داد که فوتون ها در هر جفت، بر حسب پلاریزاسیون شان درهم تنیده شده اند. محققان این تحقیق را با پرتاب جفت هایی از فوتون ها با پلاریزاسیون خاصی به داخل گاز بررسی کردند. زمانی که فوتون ها از محیط عبور می کنند، پلاریزاسیون آنها تغییر می کند. این تیم همچنین با اندازه گیری همبستگی بین پلاریزاسیون های فوتون، نشان داد که فوتون ها زمانی که مولکولی را ایجاد می کنند در هم تنیده می شوند.

مولکول های فوتونی

ایجاد تعامل بین فوتون ها علاوه بر اینکه یکی از علاقه مندی های فیزیکدانان است، در عمل نیز کاربردهایی دارد و می تواند منجر به کامپیوترهای سریع تر و از نظر انرژی به صرفه تر شود که از پالس های نوری به جای پالس های الکتریکی برای پردازش اطلاعات استفاده می کنند. امروزه، چنین سیستم هایی غیر عملی هستند چون پالس های نوری در ابتدا باید به پالس های الکتریکی تبدیل شوند و سپس دوباره به پالس نوری بازگردانده شوند، که به شدت هزینه بر است. اگر پالس های نوری برای تعامل با یکدیگر ایجاد شوند، مدارهای منطقی تماما اُپتیکی می توانند اطلاعات را پردازش کنند.
مولکول های فوتونی همچنین می توانند به توسعه کامپیوترهای کوانتومی کمک کنند، که از اصل درهم تنیدگی استفاده می کنند تا همبستگی های بسیار قوی تری بین دو ذره نسبت به آنچه فیزیک کلاسیک ممکن می سازد ایجاد کنند. در حالی که فوتون ها در ارسال بیت های کوانتومی در مسافت های طولانی بسیار خوب عمل می کنند، این حقیقت که آنها به طور معمول با هم تعاملی ندارند برای ایجاد مدار های منطقی تماما اُپتیکی مشکل ساز است.