تولید نوع عجیبی از نور مولکولی با استفاده از سه فوتون
بر‌هم‌کنش فوتونهای نور یکی از غیر ممکن‌ها‌ی طبیعت به نظر میرسد. آیا می‌توان این غیر ممکن را ممکن کرد؟
پنج سال پیش فیزیکدانان MIT و هاروارد، بر‌هم‌کنش غیر ممکنی را ممکن کردند. آن‌ها یک جفت فوتون را وادار به بر‌هم‌کنش با فوتون دیگری کردند؛ این کار تا آن زمان غیر ممکن به‌نظر می‌رسید.
زمانی که به چنین دستاورد مهمی برسید چه خواهید کرد؟ مسلما سعی می‌کنید فوتون سوم را اضافه کنید. چشم امید تمام جهان برای انجام محاسبات و پردازش‌ها‌ی کامپیوتری به نور است. به همین دلیل پژوهشگران علاقه‌مند به کشف راه‌ها‌یی برای دستکاری فوتون‌ها هستند.
در بیش‌تر موارد، ذرات بدون جرم تشکیل‌دهنده‌ی طیف امواج الکترومغناطیسی (فوتون‌ها)، با یکدیگر کاری ندارند و بر‌هم‌کنش نمی‌کنند. ما عموما اتم‌ها را به یکدیگر برخورد می‌دهیم تا از بررسی نتایج حاصل بتوانیم به فیزیک جدید دست پیدا کنیم؛ اما این موضوع برای فوتون‌ها صادق نیست. می‌توانیم دو نور لیزر را از یکدیگر رد کنیم بدون اینکه حتی یک برخورد بین دو ذره‌ی نور انجام شود. فیزیکدان‌ها سال‌ها برای تغییر این شرایط به‌صورت تئوری تلاش کردند تا اینکه بالاخره در سال ۲۰۱۳ این کار را به‌صورت عملی انجام دادند. میکاییل لوکین از فیزیکدانان هاروارد، می‌گوید:
کاری که ما انجام دادیم در واقع فراهم کردن محیط خاصی است که فوتون‌ها می‌توانند در این محیط شدیدا با یکدیگر بر‌هم‌کنش کنند. بر‌هم‌کنش آن‌ها شبیه زمانی عمل می‌کند که فوتون‌ها جرم داشته باشند. در این شرایط، فوتون‌ها به یکدیگر پیوند می‌خورند و مولکول تشکیل می‌دهند.
برای انجام این کار، فیزیکدانان یک لیزر ضعیف را به محیطی از روبیدیوم سردشده می‌تابانند. اتم‌ها‌ی روبیدیوم در این حالت به‌حدی سرد شده‌اند که در حالت ایستا هستند.
زمانی که فوتون از اتمی به اتم دیگر می‌رود، مقداری از انرژی خود را از دست می‌دهد و زمانی که فوتونهای مجاور قصد گذر از اتم‌ها دارند، اتفاق عجیبی رخ می‌دهد. اتم‌ها‌ی روبیدیوم هم‌جوار، نمی‌توانند به همان حد اتم‌ها‌ی قبلی بر‌انگیخته شوند. به این پدیده، محاصره‌ی ریدبرگ (Rydberg blockade) گفته می‌شود.
زمانی که یکی از فوتون‌ها یک اتم روبیدیوم را وادار به بر‌انگیخته شدن می‌کند، فوتون دیگر نمی‌تواند اتم روبیدیوم دیگر را وادار به بر‌انگیختگی در همان حد اتم قبلی کند. در این هنگام فوتون در اطراف اتم مورد نظر به دام می‌افتد و یک مولکول هیبریدی نوری تشکیل می‌شود که پلاریتون نام دارد. در این زمانی که سایر فوتون‌ها در حال گذر از روبیدیوم سردشده هستند، با نوسان پلاریتون‌ها مواجه می‌شوند. در پایان این فوتون‌ها به یکدیگر ملحق می‌شوند. همین تیم فیزیکدان‌ها اکنون در حال بررسی ساز‌و‌کاری هستند که در صورت امکان بتوانند فوتون سومی را نیز به این مولکول‌ها‌ی نوری وارد کنند. ولادان ولنتیک از MIT، می‌گوید:
… برای مثال شما می‌توانید اتم‌ها‌ی اکسیژن را برای تشکیل O2 و O3 با یکدیگر ترکیب کنید؛ اما نمی‌توانید O4 به وجود بیاورید و در بعضی موارد حتی نمی‌توانید سه اتم مشابه را با هم ترکیب کنید. بنابر این سؤالی که وجود دارد این است: آیا می‌توان فوتونهای بیش‌تری به مولکول‌ها‌ی فوتونی اضافه کرد؟
اکنون اطمینان داریم که تشکیل خوشه‌ها‌ی فوتونی دو‌تایی و سه‌تایی امکان‌پذیر است و ملحق شدن این جفت‌ها و سه‌تایی‌ها‌ی فوتونی و تشکیل نوعی مولکول، فواید بسیاری می‌تواند داشته باشد. دانشمندان به‌تازگی بسیار مشغول کار با نور هستند. آن‌ها سعی دارند سرعت نور در خلأ را کنترل کنند، ساختار آن را تغییر دهند و ویژگی‌ها‌ی آن را کنترل کنند.
این تکنولوژی در پیشرفت کامپیوتر‌ها و ارتباطات تأثیر بسیاری خواهد داشت. استفاده از مولکول‌ها‌ی فوتونی به‌جای الکترون‌ها برتری‌ها‌ی زیادی خواهد داشت. از جمله اینکه فوتونهای سریع‌تر، انتقال راحت‌تر و قابلیت حمل اطلاعات بیش‌تری دارند.
هدف بعدی این تیم چیست؟ آیا مولکول‌ها‌ی چهار‌تا‌یی فوتونی هم خواهیم داشت؟ ولتیک می‌گوید:
اینکه آیا می‌توانیم کریستال‌ها‌ی فوتونی درست کنیم و ممکن بودن یا نبودن آن، قابل پیش‌بینی نیست.
دستاوردهای این پژوهش در Science منتشر شد.
