Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с фотонной материи )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фотонные молекулы - теоретическая естественная форма материи, которая также может быть создана искусственно, в которой фотоны связываются вместе, образуя « молекулы ». [1] [2] [3] Впервые они были предсказаны в 2007 году. Фотонные молекулы образуются, когда отдельные (безмассовые) фотоны «взаимодействуют друг с другом настолько сильно, что действуют так, как будто у них есть масса». [4] В альтернативном определении (которое не эквивалентно) фотоны, ограниченные двумя или более связанными оптическими полостями, также воспроизводят физику взаимодействующих уровней энергии атомов и называются фотонными молекулами.

Исследователи провели аналогии между этим явлением и вымышленным « световым мечом » из « Звездных войн» . [4] [5]

Строительство [ править ]

Атомы газообразного рубидия откачивались в вакуумную камеру. Облако охлаждали с помощью лазеров до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Используя слабые лазерные импульсы, небольшое количество фотонов было выпущено в облако. [4]

Когда фотоны входили в облако, их энергия возбуждала атомы на своем пути, заставляя их терять скорость. Внутри облачной среды фотоны дисперсионно связываются с сильно взаимодействующими атомами в высоковозбужденных ридберговских состояниях . Это заставило фотоны вести себя как массивные частицы с сильным взаимным притяжением (молекулы фотонов). В конце концов фотоны вышли из облака вместе как обычные фотоны (часто запутанные попарно). [4]

Эффект вызван так называемой ридберговской блокадой , которая в присутствии одного возбужденного атома предотвращает возбуждение соседних атомов в одинаковой степени. В этом случае, когда два фотона входят в атомное облако, первый возбуждает атом, аннигилируя при взаимодействии, но переданная энергия должна двигаться вперед внутри возбужденного атома, прежде чем второй фотон сможет возбудить соседние атомы. По сути, два фотона толкают и тянут друг друга через облако, поскольку их энергия передается от одного атома к другому, заставляя их взаимодействовать. Это фотонное взаимодействие опосредуется электромагнитным взаимодействием между фотонами и атомами. [4]

Возможные приложения [ править ]

Взаимодействие фотонов предполагает, что эффект можно использовать для создания системы, которая может сохранять квантовую информацию и обрабатывать ее с помощью квантовых логических операций. [4]

Система также может быть полезна в классических вычислениях, учитывая гораздо меньшую мощность, необходимую для манипулирования фотонами, чем электронами. [4]

Возможно, удастся расположить фотонные молекулы в среде таким образом, чтобы они образовывали более крупные двумерные структуры (аналогично рисункам). [4]

Взаимодействующие оптические резонаторы как фотонные молекулы [ править ]

Термин фотонная молекула также используется с 1998 года для обозначения не связанного с этим явления, вовлекающего электромагнитно взаимодействующие оптические микрополости. Свойства квантованных состояний ограниченных фотонов в оптических микро- и нанополостях очень похожи на свойства состояний ограниченных электронов в атомах. [6] Благодаря этому сходству оптические микрополости можно назвать «фотонными атомами». Если продолжить эту аналогию еще дальше, кластер из нескольких взаимно связанных фотонных атомов образует фотонную молекулу. [7] Когда отдельные фотонные атомы находятся в непосредственной близости, их оптические моды взаимодействуют и порождают спектр гибридизированных супер-мод фотонных молекул. [8] Это очень похоже на то, что происходит, когда две изолированные системы соединяются, как двеатомные орбитали водорода, собирающиеся вместе, чтобы сформировать связывающие и разрыхляющие орбитали молекулы водорода , которые представляют собой гибридизированные супер-моды всей связанной системы.

«Кусок полупроводника микрометрового размера может улавливать фотоны внутри себя таким образом, что они действуют как электроны в атоме. Теперь в PRL от 21 сентября описывается способ соединения двух этих« фотонных атомов ». Результат такого взаимодействия близкое родство - это «фотонная молекула», чьи оптические моды очень похожи на электронные состояния двухатомной молекулы, такой как водород ». [9] «Фотонные молекулы, названные по аналогии с химическими молекулами, представляют собой кластеры близко расположенных электромагнитно взаимодействующих микрополостей или« фотонных атомов »». [10] «Оптически связанные микрополости возникли как фотонные структуры с многообещающими свойствами для исследований в фундаментальной науке, а также для приложений». [11]

Первой фотонной реализацией двухуровневой системы фотонной молекулы был Спрев и др. [12], которые использовали оптические волокна для реализации кольцевого резонатора , хотя они не использовали термин «фотонная молекула». Две моды, образующие молекулу, могут быть тогда поляризационными модами кольца или модами кольца по и против часовой стрелки. За этим последовала демонстрация фотонной молекулы, изготовленной литографическим способом, вдохновленной аналогией с простой двухатомной молекулой. [13]Однако были предложены и другие природные структуры PM (такие как «фотонный бензол»), которые поддерживают ограниченные оптические моды, очень похожие на молекулярные орбитали в основном состоянии их химических аналогов. [14]

Фотонные молекулы обладают преимуществами по сравнению с изолированными фотонными атомами в различных приложениях, включая био (химическое) зондирование, [15] [16] оптомеханику резонаторов [17] [18] и микролазеры [19] [20] [21] [22 ]. ] Фотонные молекулы также могут использоваться в качестве квантовых симуляторов физики многих тел и в качестве строительных блоков будущих оптических сетей обработки квантовой информации. [23]

По полной аналогии кластеры металлических наночастиц, которые поддерживают ограниченные поверхностные плазмонные состояния, были названы «плазмонными молекулами». [24] [25] [26] [27] [28]

Наконец, гибридные фотонно-плазмонные (или оптоплазмонные) молекулы также были предложены и продемонстрированы. [29] [30] [31] [32]

См. Также [ править ]

  • Фотолюминесценция
  • Светоносный эфир

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Шен, Юнг-Цунг; Фань, Шанхой (13 апреля 2007 г.). «Сильно коррелированный двухфотонный перенос в одномерном волноводе, соединенном с двухуровневой системой». Письма с физическим обзором . 98 (15): 153003. Arxiv : колич-фот / 0701170 . Bibcode : 2007PhRvL..98o3003S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.98.153003 . PMID  17501344 . S2CID  37715281 .
  2. ↑ Шен, Юнг-Цунг; Фань, Шанхой (27 декабря 2007 г.). «Сильно коррелированный перенос многих частиц в одном измерении через квантовую примесь». Physical Review . 76 (6): 062709. arXiv : 0707.4335 . Bibcode : 2007PhRvA..76f2709S . DOI : 10.1103 / PhysRevA.76.062709 .
  3. ^ Дойч, Иван Х .; Chiao, Raymond Y .; Гаррисон, Джон К. (1992-12-21). «Дифотоны в нелинейном резонаторе Фабри-Перо: связанные состояния взаимодействующих фотонов в оптической квантовой проволоке ». Письма с физическим обзором . 69 (25): 3627–3630. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.69.3627 . PMID 10046872 . 
  4. ^ a b c d e f g h «Увидеть свет в новом свете: ученые создают невиданную прежде форму материи» . Science-daily.com . Проверено 27 сентября 2013 .
  5. ^ Firstenberg, O .; Пейронель, Т .; Лян, QY; Горшков А.В.; Лукин, д.м.н .; Вулетич, В. (2013). «Притягивающие фотоны в квантовой нелинейной среде» (PDF) . Природа (Представленная рукопись). 502 (7469): 71–75. Bibcode : 2013Natur.502 ... 71F . DOI : 10,1038 / природа12512 . ЛВП : 1721,1 / 91605 . PMID 24067613 . S2CID 1699899 .   
  6. ^ Бенсон, TM; Борискина, С.В.; Сьюэлл, П .; Вукович, А .; Жадный, SC; Носич А.И. (2006). «Микрооптические резонаторы для микролазеров и интегральной оптоэлектроники». Границы в технологии планарных световых волн . Наука НАТО II: математика, физика и химия. 216 . п. 39. CiteSeerX 10.1.1.518.8691 . DOI : 10.1007 / 1-4020-4167-5_02 . ISBN  978-1-4020-4164-8. S2CID  8299535 .
  7. ↑ Борискина, С.В. (2010). «Фотонные молекулы и спектральная инженерия». Исследования и применение фотонных микрорезонаторов . Серия Спрингера в оптических науках. 156 . С. 393–421. arXiv : 1207.1274 . DOI : 10.1007 / 978-1-4419-1744-7_16 . ISBN 978-1-4419-1743-0. S2CID  13276928 .
  8. ^ Ракович, Ю.; Donegan, J .; Герлах, М .; Брэдли, А .; Коннолли, Т .; Boland, J .; Гапоник, Н .; Рогач, А. (2004). «Тонкая структура связанных оптических мод в фотонных молекулах». Physical Review . 70 (5): 051801. Bibcode : 2004PhRvA..70e1801R . DOI : 10.1103 / PhysRevA.70.051801 . ЛВП : 2262/29166 .
  9. ^ Antia, Meher (1998). «Молекула света». Физический обзор . 2 . DOI : 10.1103 / PhysRevFocus.2.14 .
  10. ^ Борискина, Светлана В .; Бенсон, Тревор М .; Сьюэлл, Филипп (2007). «Фотонные молекулы, состоящие из согласованных и несовпадающих микрополостей: новые функции микролазеров и оптоэлектронных компонентов». В Кудряшове Алексей V; Пакстон, Алан Х .; Ильченко, Владимир С (ред.). Лазерные резонаторы и управление лучом IX . 6452 . с. 64520X. arXiv : 0704.2154 . DOI : 10.1117 / 12.714344 . S2CID 55006344 . 
  11. ^ Гроссманн, Тобиас; Винхольд, Тобиас; Бог, Уве; Бек, Торстен; Фридман, Кристиан; Кальт, Хайнц; Маппес, Тимо (2013). «Полимерные фотонные молекулы сверхмодовых лазеров на кремнии» . Свет: наука и приложения . 2 (5): e82. Bibcode : 2013LSA ..... 2E..82G . DOI : 10.1038 / lsa.2013.38 .
  12. ^ Spreeuw, RJC; ван Друтен, штат Нью-Джерси; Бейерсберген, МВт; Элиэль, скорая помощь; Woerdman, JP (1990-11-19). «Классическая реализация сильно управляемой двухуровневой системы» (PDF) . Письма с физическим обзором . 65 (21): 2642–2645. Bibcode : 1990PhRvL..65.2642S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.65.2642 . PMID 10042655 .  
  13. ^ Байер, М .; Gutbrod, T .; Reithmaier, J .; Forchel, A .; Reinecke, T .; Knipp, P .; Дремин, А .; Кулаковский, В. (1998). «Оптические режимы в фотонных молекулах». Письма с физическим обзором . 81 (12): 2582–2585. Bibcode : 1998PhRvL..81.2582B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.81.2582 .
  14. ^ Лин, Б. (2003). «Вариационный анализ фотонных молекул: приложение к фотонным бензольным волноводам». Physical Review E . 68 (3): 036611. Bibcode : 2003PhRvE..68c6611L . DOI : 10.1103 / PhysRevE.68.036611 . PMID 14524916 . 
  15. ↑ Борискина, С.В. (2006). «Спектрально сконструированные фотонные молекулы как оптические сенсоры с повышенной чувствительностью: предложение и численный анализ». Журнал Оптического общества Америки B . 23 (8): 1565. arXiv : Physics / 0603228 . Bibcode : 2006JOSAB..23.1565B . DOI : 10.1364 / JOSAB.23.001565 . S2CID 59580074 . 
  16. ^ Борискина, SV; Даль Негро, Л. (2010). «Саморегулирующийся би (химический) датчик фотонных молекул». Письма об оптике . 35 (14): 2496–8. Bibcode : 2010OptL ... 35.2496B . CiteSeerX 10.1.1.470.1926 . DOI : 10.1364 / OL.35.002496 . PMID 20634875 .  
  17. ^ Цзян, X .; Lin, Q .; Rosenberg, J .; Вахала, К .; Художник О. (2009). «Высокодобротные двухдисковые микрополости для резонаторной оптомеханики» . Оптика Экспресс . 17 (23): 20911–9. Bibcode : 2009OExpr..1720911J . DOI : 10,1364 / OE.17.020911 . PMID 19997328 . 
  18. ^ Ху, YW; Сяо, YF; Лю, YC; Гонг, Q. (2013). «Оптомеханическое зондирование с помощью микрополостей на кристалле». Границы физики . 8 (5): 475–490. Bibcode : 2013FrPhy ... 8..475H . DOI : 10.1007 / s11467-013-0384-у . S2CID 122299018 . 
  19. ^ Hara, Y .; Mukaiyama, T .; Takeda, K .; Кувата-Гоноками, М. (2003). «Генерация фотонных молекул». Письма об оптике . 28 (24): 2437–9. Bibcode : 2003OptL ... 28.2437H . DOI : 10.1364 / OL.28.002437 . PMID 14690107 . 
  20. ^ Накагава, А .; Ishii, S .; Баба, Т. (2005). «Лазер на фотонных молекулах на микродисках GaInAsP». Письма по прикладной физике . 86 (4): 041112. Bibcode : 2005ApPhL..86d1112N . DOI : 10.1063 / 1.1855388 .
  21. ↑ Борискина, С.В. (2006). «Теоретическое предсказание резкого увеличения добротности и устранения вырождения мод шепчущей галереи в симметричных фотонных молекулах». Письма об оптике . 31 (3): 338–40. Bibcode : 2006OptL ... 31..338B . DOI : 10.1364 / OL.31.000338 . PMID 16480201 . 
  22. ^ Смотрива, Э.И.; Носич А.И.; Бенсон, TM; Сьюэлл, П. (2006). «Снижение порога в лазере на циклических фотонных молекулах, состоящем из идентичных микродисков с модами шепчущей галереи». Письма об оптике . 31 (7): 921–3. Bibcode : 2006OptL ... 31..921S . DOI : 10.1364 / OL.31.000921 . PMID 16599212 . 
  23. ^ Hartmann, M .; Brandão, F .; Пленио, М. (2007). «Эффективные спиновые системы в связанных микрополостях». Письма с физическим обзором . 99 (16): 160501. arXiv : 0704.3056 . Bibcode : 2007PhRvL..99p0501H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.99.160501 . PMID 17995228 . S2CID 592659 .  
  24. ^ Nordlander, P .; Oubre, C .; Prodan, E .; Ли, К .; Штокман, Мичиган (2004). «Гибридизация плазмонов в димерах наночастиц». Нано-буквы . 4 (5): 899–903. Bibcode : 2004NanoL ... 4..899N . DOI : 10.1021 / nl049681c .
  25. ^ Вентилятор, JA; Bao, K .; Wu, C .; Bao, J .; Bardhan, R .; Халас, штат Нью-Джерси; Manoharan, VN; Швец, Г .; Nordlander, P .; Капассо, Ф. (2010). «Фано-подобные помехи в самоорганизующихся плазмонных квадрумерных кластерах». Нано-буквы . 10 (11): 4680–5. Bibcode : 2010NanoL..10.4680F . DOI : 10.1021 / nl1029732 . PMID 20923179 . 
  26. ^ Лю, N .; Mukherjee, S .; Bao, K .; Браун, LV; Dorfmüller, J .; Nordlander, P .; Халас, Нью-Джерси (2012). «Формирование и распространение магнитных плазмонов в искусственных ароматических молекулах». Нано-буквы . 12 (1): 364–9. Bibcode : 2012NanoL..12..364L . DOI : 10.1021 / nl203641z . PMID 22122612 . 
  27. ^ Ян, Б .; Борискина, С.В.; Рейнхард, BRM (2011). «Оптимизация конфигураций кластеров золотых наночастиц (n≤ 7) для массивов приложений» . Журнал физической химии C . 115 (11): 4578–4583. DOI : 10.1021 / jp112146d . PMC 3095971 . PMID 21603065 .  
  28. ^ Ян, Б .; Борискина, С.В.; Рейнхард, BRM (2011). «Разработка и реализация кластерных массивов наночастиц благородных металлов для плазмонно-усиленной биочувствительности» . Журнал физической химии C . 115 (50): 24437–24453. DOI : 10.1021 / jp207821t . PMC 3268044 . PMID 22299057 .  
  29. ^ Борискина, SV; Рейнхард, БМ (2011). «Спектрально и пространственно конфигурируемые суперлинзы для оптоплазмонных наноцепей» . Труды Национальной академии наук . 108 (8): 3147–3151. arXiv : 1110,6822 . Bibcode : 2011PNAS..108.3147B . DOI : 10.1073 / pnas.1016181108 . PMC 3044402 . PMID 21300898 .  
  30. ^ Борискина, SV; Рейнхард, BRM (2011). «Адаптивное встроенное управление нанооптическими полями с помощью оптоплазмонных вихревых нанозатворов» . Оптика Экспресс . 19 (22): 22305–15. arXiv : 1111.0022 . Bibcode : 2011OExpr..1922305B . DOI : 10,1364 / OE.19.022305 . PMC 3298770 . PMID 22109072 .  
  31. ^ Hong, Y .; Pourmand, M .; Борискина, С.В.; Рейнхард, BRM (2013). «Улучшенная фокусировка света в самоорганизованных оптоплазмонных кластерах с субволновыми размерами». Современные материалы . 25 (1): 115–119. DOI : 10.1002 / adma.201202830 . PMID 23055393 . 
  32. ^ Ahn, W .; Борискина, С.В.; Hong, Y .; Рейнхард, BRM (2012). "Связь фотонно-плазмонных мод в интегрированных оптоплазмонных молекулах на кристалле". САУ Нано . 6 (1): 951–60. DOI : 10.1021 / nn204577v . PMID 22148502 . 

Внешние ссылки [ править ]

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