22 декабря 2021

Физики хотят разделить фотоны, чтобы создать новую форму света

В основе всех электромагнитных волн, включая видимый свет, лежат кванты энергии, называемые фотонами. Фотоны являются частью бозонов (частиц с целочисленным спином), точнее калибровочных бозонов, которые являются переносчиками сил (они порождают взаимодействия между частицами). Физики из Дартмутского колледжа в США утверждают, что, возможно, удастся расщепить фотон, чтобы получить новую, никогда ранее не наблюдавшуюся частицу — бозон Майорана, что приведет к появлению новой фазы света.

В 1937 году итальянский физик Этторе Майорана создал фундаментальное уравнение для описания элементарных частиц с полуцелым спином, называемых фермионами, которые являются собственной античастицей — как и некоторые бозоны, в частности фотон. Это противоречит теории, предложенной Полем Дираком в 1928 году, которая описывает любой фермион, чья античастица отличается от него (например, электрон, чьей античастицей является позитрон).

Чтобы частица была своей античастицей, она должна быть электрически нейтральной и иметь нулевой дипольный момент. Майорана предположил, что такие частицы теоретически могут быть получены путем "расщепления" электрона на две части с помощью квантового эффекта, чтобы получить две частицы, связанные вместе, но достаточно удаленные друг от друга.

Но на сегодняшний день майорановский фермион никогда не наблюдался как элементарная частица, потому что очень трудно реализовать экспериментальное устройство, которое могло бы привести к образованию этих фермионов. В 2016 году исследователи из Окриджской национальной лаборатории в сотрудничестве с Институтом Макса Планка и Кембриджским университетом, тем не менее, наблюдали майорановские фермионы в форме квазичастиц в квантовых спиновых жидкостях — особые состояния вещества с замечательными свойствами, такими как способность защищать квантовую информацию от декогеренции.

Как сообщается, хиральные фермионы Майораны также были обнаружены в 2017 году в аномальной квантовой системе Холла, соединенной со сверхпроводником. Затем, в 2018 году, исследователи из лаборатории Microsoft в Нидерландах объявили, что им удалось идентифицировать давно искомую частицу с помощью "гибридных" нанопроводов, состоящих из слоя полупроводникового материала, увенчанного сверхпроводящим слоем. Однако в марте 2021 года команда окончательно отозвала свое исследование из-за "недостаточной научной строгости" в анализе исходных данных.

В настоящее время несколько групп физиков продолжают поиски этой неуловимой частицы. Для этого Лоренца Виола и ее коллеги применили новый подход, расширив концепцию частиц Майорана — первоначально разработанную для фермионов — на бозоны, такие как фотоны. По их мнению, можно было получить "бозоны Майораны", заставив небольшое количество энергии выйти из системы.

Рассматриваемая система будет состоять из цепочки полостей, пропускающих энергию, заполненных квантовыми пакетами света; в теории на каждом конце цепочки должны появиться половинки частиц (бозоны Майораны).

"Это серьезный сдвиг парадигмы в понимании света таким образом, который не считался возможным. Мы не только нашли новую физическую сущность, но и такую, о существовании которой никто не думал", — говорится в заявлении Виолы.

Так же, как вода может превращаться в лед или пар в зависимости от окружающей температуры и давления, так и свет может существовать в разных фазах при определенных условиях, где фотоны состоят из двух разных частей, объясняют ученые. Эти две разные части образуют единое целое, но они могут быть описаны и функционировать как отдельные единицы.

Но пока это остается в области теории, и теперь необходим лабораторный эксперимент, чтобы подтвердить, что фотоны могут существовать в такой расщепленной форме, которую никогда ранее не представляли. Это исследование может открыть путь к новым экзотическим фазам материи и света, отмечает команда.

Кроме того, полученные бозоны Майораны могут сделать квантовые компьютеры намного быстрее и эффективнее обычных компьютеров и, что более важно, менее чувствительными к внешним возмущениям, чем другие квантовые компьютеры, а также могут быть использованы при разработке оптических датчиков и усилителей света.

"Мы разделили то, что раньше считалось неразделимым, и мы никогда не будем смотреть на свет одинаково", — заключает Виола.