Фотонные кристаллы помогут создать новый вид материи

Игнасио Сирак и Джефф Кимбл из Института квантовой оптики Общества Макса Планка и их коллеги предложили способ создания новых состояний материи, в которых взаимодействие между атомами происходит путем обмена фотонами. Для этого они использовали последние достижения физики ультрахолодных атомов и нанофотоники. Теоретическая работа опубликована в журнале Nature Photonics (препринт доступен здесь), а коротко ознакомиться с ней можно в пресс-релизе Института Макса Планка. 

Авторы работы рассмотрели двухмерные фотонные кристаллы в качестве основы для создания системы взаимодействующих атомов рубидия. Фотонными кристаллами называются материалы, в которых показатель преломления меняется в пространстве с периодичностью порядка длины волны света. Двухмерность означать, что у материала периодичность наблюдается в двух из трех пространственных измерениях.
Захват атомов они предполагают осуществлять с помощью двух лазеров. Излучение одного из них распространяется в плоскости кристалла, другой направлен перпендикулярно. Вместе, благодаря интерференции, они формируют оптическую решетку с периодом, меньшим длины волны излучения лазера. Эта решетка находится на некоторой высоте над кристаллом, в ней периодически распределены максимумы интерференции, где и происходит захват атомов.

Система, описанная физиками, позволяет уменьшить на порядок расстояния между атомами по сравнению с получающимися в традиционных оптических ловушках. Как правило периодичность оптических решеток напрямую связана с длиной волны света, излучаемого лазером, но в данной модели при длине волне излучения в 760 нанометров межатомные расстояния составили всего 50 нанометров — равными периодичности решетки фотонного кристалла.

Уменьшение расстояний и использование фотонного кристалла может помочь физикам исследовать принципиально новые системы. Фотоны сильно взаимодействуют с атомами в полученной оптической решетке, но после не улетают в произвольном направлении, а остаются в пределах системы. За этот «захват» ответственны фотонные кристаллы — они работают как своеобразные волноводы и захватывают фотоны в свою запрещенную зону. Вместе система может работать как аппарат для «пинбола», где в роли мячиков выступают фотоны. Тем самым взаимодействие между отдельными атомами реализуется обменом квантами света. Это значительно отличается от того, что происходит в обычных веществах (где взаимодействие передается фононами), поэтому можно рассматривать полученные системы как новую форму вещества.

Оптические ловушки являются важным инструментом для моделирования свойств твердого тела. Атомы, захваченные в ловушку проявляют свойства, очень близкие к свойствам электронов в твердом теле. К примеру, при определенных небольших значениях интенсивности создающих систему лазеров, они способны перемещаться между узлами решетки за счет туннелирования, как это происходит в полупроводниках, а увеличение его интенсивности можно получить модель диэлектрика, где перемещение электронов останавливается. Варьируя другие параметры системы ученые могут моделировать поведение электронов в сверхпроводниках и различных магнетиках, что важно для понимания фундаментальных основ этих явлений.