Все новые виды материи открывает человечеству природа. В Дубне строят коллайдер NICA для исследований адронной материи. А в США физики из нескольких научных центров США (включая Массачусетский технологический институт и Калифорнийский технологический институт) обнаружили явление, которое назвали фотонной материей.
Фотоны – элементарные частицы света, физики называют их квантами света. У них нет массы и электрического заряда. Они способны существовать в вакууме, двигаясь со скоростью света. Фотон – самая распространенная во Вселенной элементарная частица и самая необычная, поскольку сочетает в себе свойства и частицы и волны. Как волна фотон служит переносчиком электромагнитного взаимодействия между электрическими зарядами. В каком-то смысле это действие фотона похоже на действие вируса, распространяющего инфекцию.
Вот как объяснил один из авторов американского эксперимента физик Михаил Лукин на простом примере суть нового явления, образованного фотонами:
– Представьте два лазерных пучка, которые вы перекрещиваете друг с другом. Фотоны этих пучков никак не взаимодействуют, они проходят друг сквозь друга, никак друг на друга не влияя, как две волны на поверхности озера. Это происходит вследствие того, что индивидуальные кванты света, фотоны, — фундаментально не взаимодействующие частицы. Однако если те же лазерные пучки вы скрестите не в вакууме, а в некоей среде, например в стекле, ситуация поменяется. Свет разных пучков станет взаимодействовать: лучи будут друг друга немного отклонять или скорость в одном пучке будет меняться в зависимости от интенсивности другого.
Почему это происходит? Дело в том, что свет сам по себе меняет среду, в которой он распространяется. Обычно очень слабо, но меняет. Изменившаяся среда по-другому проводит электромагнитное излучение — и именно через среду происходит взаимодействие фотонов.
Все это довольно давно известно. Область физики, которая занимается подобными взаимодействиями, существует уже почти полвека и называется нелинейной оптикой. В нее, кстати говоря, большой вклад сделали советские ученые. Однако до сих пор никому не удавалось заставить взаимодействовать не лазерные лучи, а отдельные кванты света.
Лет 20-30 назад были теоретические предсказания касательно того, какую среду распространения света нужно сделать, чтобы заставить фотоны внутри нее взаимодействовать. Была предсказана возможность существования таких экзотических объектов, фотонных пар, — по существу, фотонных молекул. Встатье в Nature, мы описали, как нам удалось такие пары получить. Их, собственно, и называют фотонной материей — из-за того, что они сильно напоминают молекулы, но состоят не из атомов, а из фотонов.
Как подчеркивает Михаил Лукин, изучение взаимодействующих фотонов интересно не только само по себе. Оно имеет прямое практическое применение в информационных технологиях, в коммуникациях. То, что фотоны обычно не взаимодействуют друг с другом, — это их большое преимущество как носителя информации. Но если мы хотим перерабатывать информацию, которая передается с помощью света, то необходимо делать какие-то переключатели – логические элементы. А для этого нужно, чтобы фотоны как раз вступали во взаимодействие друг с другом. Поэтому, если удастся заставить фотоны взаимодействовать друг с другом, можно будет создать полностью фотонные устройства, обрабатывающие информацию.