Крошечные нанозеркала позволяют «смешать» материю со светом

Когда атом или молекула излучает фотон света, этот фотон обычно не возвращается назад к молекуле. Однако исследователям удалось поместить молекулу внутрь крошечной оптической впадины. И, если эта молекула испускает фотон света, он отражается от стенок впадины и возвращается в ней прежде, чем успевает полностью отделиться. В результате этого возникают колебания, энергия которых постоянно передается от молекулы к фотону и обратно, что приводит к своего рода полному «смешиванию» света и материи. Подобные попытки смешивания света с материей предпринимались и ранее, но для этого требовалось осень сложное оборудование, а процесс проводился в условиях сверхнизких температур. Ученые же из Кембриджского университета разработали метод, позволяющий получить «симбиоз» материи и света при комнатной температуре.

Для того, чтобы обеспечить «смешивание» материи со светом ученым пришлось разработать технологию изготовления оптических впадин, размером всего в один нанометр (одна миллиардная часть метра). Эти впадины были образованы в промежутке между двумя зеркальными поверхностями золотых наночастиц, а внутрь этого промежутка была помещена одна молекула органического красителя. Размещение молекулы в строго заданном месте промежутка также было не самой простой задачей, для этого молекула была помещена в «бочкообразную» молекулярную оболочку, которая удерживала ее внутри в строго вертикальном положении.

Когда структура такого оптико-молекулярного резонатора собрана правильно, то молекула, получив некоторое количество энергии извне, как бы «раскалывается» на две молекулы, находящиеся в разных квантовых состояниях. И именно это является основным признаком смешивания материи со светом. Время перехода из одного квантового состояния в другое составляет менее триллионной доли секунды, именно столько времени требуется для излучения молекулой фотона и возвращения этого фотона назад к молекуле.

Еще одной проблемой, с которой столкнулись ученые, стала проблема измерения и регистрация собственно события «смешивания» света и материи. Для этого была разработана специальная методика, которая позволяла ученым не вмешиваться в происходящие в оптической впадине процессы, но для сбора достаточного количества данных потребовалось несколько месяцев проведения непрерывных измерений. После того, как методика измерений была отработана, ученые оказались в состоянии определить любую комбинацию квантовых состояний, в которых находились одна, две или три молекулы, помещенные в промежуток между наночастицами.

И в заключении следует отметить, что столь необычное взаимодействие материи со светом обеспечивает абсолютно новые способы управления физическими и химическими свойствами материи. Так же это может использоваться для передачи, хранения и обработки квантовой информации, для реализации процессов искусственного фотосинтеза и для прямого управления образованием химических связей между отдельными атомами.