Polariton: amikor a fény és az anyag elválaszthatatlanul összefonódik
Nagy érdeklődést kiváltó publikáció jelent meg a Nature tudományos folyóirat Július 3.-i számában, amelyben a Chicago Egyetem Jonathan Simon által vezetett laboratóriuma számolt be az anyag különleges új formájáról, amelyben az atomok és a fotonok tulajdonságai elválaszthatatlanul összekapcsolódnak. Ennek megértése érdekében szemléltessük az atomok és a fotonok közötti különbséget: ütköztessünk össze két golyót, ekkor mindkét golyó mozgása megváltozik az ütközés során. Indítsunk el két lézer sugarat és a két nyaláb útja keresztezze egymást: a találkozás után a két nyaláb változatlanul halad tovább. Azt mondjuk erre, hogy amikor az atomok ütköznek, megváltozik pályájuk, esetleg át is alakulnak, mindez nem történik meg a fotonokkal, nem jön közöttük létre kölcsönhatás.
Mi a polariton?
Létrehozhatók azonban olyan különleges körülmények, amikor erős csatolás jön létre az atomok és a fotonok között, ezt a csatolt állapotot nevezzük polaritonnak. Ennek alapja a rezonancia elv. Az egyes atomok jól definiált hullámhosszon sugároznak, vagy nyelik el a fényt, ezt nevezzük spektrum vonalaknak, vagy sávoknak. A XIX. század végén figyelték meg ezeket a diszkrét sávokat, melynek eredetét nem tudta magyarázni a klasszikus fizika. Hidrogén atomok esetén Johannes Rydberg (1854-1919) svéd fizikus találta meg a matematikai formulát, amivel leírta az egyes vonalak hullámhosszfüggését. Később a kvantummechanika létrejötte megadta a magyarázatot is a jelenségre.
Ha olyan fénnyel világítjuk meg az atomokat, amely megfelel valamilyen sávnak, akkor az atomok rezonanciaszerűen nyelik el a fényt. De ez még nem polariton, csak a kiindulópont. Polaritonok létrehozásához optikai üreggel állóhullámokat kell létrehozni. Ennek elve, hogy négy parányi tükörrel ide-oda tükröztetjük a fényt, amely ennek során az üregben állóhullámokat hoz létre. Ebbe az optikai üregbe kell bevinni egy atomokból álló gázt és úgy kell megválasztani az üreg méretét, hogy az abban kialakuló hullámok hosszúsága pontosan megfeleljen valamelyik atomi sávnak. Ezt a rendszert már tekinthetjük polaritonnak, de a kísérletezőknek arra volt szüksége, hogy a polaritonok közötti kölcsönhatást tudják kimutatni. Ennek érdekében olyan optikai üreget hoztak létre, amelynek két kismértékben eltérő rezonancia frekvenciája van és meg kellett oldani, hogy egyidejűleg mindkét frekvencia megjelenjen az atom színképében. Ez utóbbit oldották meg a Floquet-moduláció segítségével. (Gaston Floquet (1847-1920) francia matematikus, a lineáris differenciálegyenleteket vizsgálta periodikusan változó függvények esetén).
Modulált frekvenciájú polaritonok
Ebben a módszerben a lézerfény amplitúdóját periodikusan változtatják, így a gerjesztési amplitúdó is periodikusan változik. A konkrét kísérletben ezer körüli Rubidium atomot alkalmaztak olyan alacsony hőmérsékleten, amikor valamennyi atom besugárzás nélkül az 5S1/2 alapállapotban van. (Ebben a jelölésben az első szám az n = 5 főkvantumszám, az S pálya azt jelenti, hogy az L mellékkvantumszám, azaz a pálya impulzusnyomaték nulla, míg az ½ index jelöli az eredő impulzusnyomatékot, amihez ekkor csak az elektron spin ad járulékot.) A Rubidium atom rendszáma 37, azaz az atommagban 37 pozitív töltésű proton van és az elektron felhőt 37 részecske alkotja. Ebből 36 zárt héjakat alkot, viszont egyetlen elektron kikerül a külső n = 5 főkvantumszámú pályára. A kísérletben 780 nm hullámhosszú lézerfényt alkalmaztak, ami az elektront az 5P3/2 pályára gerjeszti. (Itt P mutatja az L = 1 mellékkvantumszámot, míg a 3/2 index az eredő impulzusmomentumot jelöli.) Modulációt úgy hoznak létre, hogy a gerjesztés hatásfokát periodikusan változtatják, azaz képletesen szólva „megrázzák” a gerjesztett elektronpályát. Ennek következtében az eredeti 780 nm hullámhosszú sáv alsávokra bomlik, melyek eltérését a fősávtól a modulációs frekvencia határozza meg. Megfelelő frekvenciájú modulációt alkalmazva elérhető, hogy amíg az alapfrekvencia az optikai üreg egyik modusával egyezik meg, addig a modulációs frekvenciával növelt másik sáv az üreg másik modusát gerjeszti.
További „csavar” a kísérletben
A sikeres kísérlethez ezen kívül még egy további „csavarra” volt szükség. Ennek oka, hogy a polaritonok közötti kölcsönhatás mértéke a gerjesztett elektronpálya sugarától is függ, és ehhez az 5P3/2 pálya kiterjedése nem elég, mert nem éri el az optikai üreg méretét. Emiatt vették célba a nagy főkvantumszámú n = 100 pályát, melynek sugara meghaladja az üreg szélességét. Ezt az elektronpályát nevezik Rydberg pályának. Az elnevezés onnan származik, hogy ez a nagy sugarú pálya már teljes egészében a belső pályákon kívül van, és így a belső 36 elektron árnyékoló hatása miatt a külső elektronra a 37 proton töltése helyett csak egyetlen pozitív elemi töltés hat. Ez azt eredményezi, hogy az elektronpálya energiája pontosan megfelel a Hidrogén esetének, amelyet a Rydberg formula ír le. Ennek a pályának gerjesztése az 5P3/2 nívóról történik egy másodlagos 488 nm hullámhosszú lézersugárral.
Hogyan mutatja ki a kísérlet a polaritonok erős kölcsönhatását?
Ezután már rátérhetünk a konkrét kísérlet leírására. Ebben a 780 nm-es modulált sugárzás két ellentétes irányból éri az optikai üreget, a modulációs frekvencia hangolásával elérve, hogy mind a két modussal biztosítva legyen a rezonancia. Amikor csak az egyik lézer nyaláb van bekapcsolva, a fény zavartalanul áthalad az üregen, de ha a másodikat is bekapcsolják, az már megakadályozza az ellentétes irányú sugárzás kilépését az üregből, ily módon kimutatva a blokkoló hatást.
Ez a felfedezés új és szokatlan kvantumfizikai jelenségek vizsgálatára nyújt lehetőséget különleges effektusok létrehozásával, de biztatóak a gyakorlati alkalmazási lehetőségek is. Csak két példát említve: a blokkolási technika alkalmazható lehet a digitális technikában, a frekvencia sávok modulálása pedig lehetővé teszi az információ titkos kódolását.
További írások elérhetők a blogon: Paradigmaváltás a fizikában
A fenti írás korábban megjelent (2019-07-28): qubit.hu/Amikor a fény és az anyag elválaszthatatlanul összefonódik
