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 очень 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.
