Harvard- en MIT-onderzoekers zijn erin geslaagd om drie fotonen een interactie met elkaar aan te laten gaan. En dat is bijzonder.

Als iets extreem snel is, dan is het wel een foton: het elementaire deeltje waaruit licht bestaat. Maar hoe snel fotonen ook zijn, ze hebben geen interactie met elkaar. Ook wanneer je de lichtstralen van twee zaklampen elkaar laat kruisen, gebeurt er niks. Simpelweg doordat fotonen niet met elkaar reageren.

Maar daar trekken onderzoekers van de Harvard University en het Massachusetts Institute of Technology zich niks van aan. Zij zijn er namelijk in geslaagd om groepjes van drie interagerende fotonen te creëren.

Triootje

Hun onderzoek borduurt voort op eerdere experimenten. In 2013 slaagden de MIT-Harvard-onderzoekers er voor het eerst in om fotonen paren te laten vormen, en creëerden daarmee een compleet nieuwe materietoestand. De wetenschappers vroegen zich vervolgens af of deze interactie ook mogelijk is met niet twee, maar drie fotonen.

Om dat uit te zoeken, koelden de wetenschappers een wolk rubidiumatomen af tot net iets boven het absolute nulpunt. Door de atomen af te koelen, werden ze bijna tot stilstand gebracht. Vervolgens schenen de onderzoekers een zwakke laserstraal door deze wolk van geïmmobiliseerde atomen – zo zwak zelfs dat maar een paar fotonen tegelijkertijd door de wolk konden reizen.

Trage fotonen

De onderzoekers maten de fotonen wanneer ze uit de andere kant van de atoomwolk kwamen. Wat ze toen zagen, was dat de fotonen als paren of zelfs als trio’s uit de wolk kwamen. Normaal gesproken zou een stroom afzonderlijke fotonen met willekeurige tussenpozen de wolk verlaten, maar in dit geval bleken ze te verschijnen in groepen van twee en drie.

Ook de fase – de frequentie van de trillingen van de fotonen – bleek anders wanneer de lichtdeeltjes uit de koude rubidiumwolk kwamen; hij was hoger. En hoe hoger de fase hoe sterker de interactie is.

Bovendien gingen de fotonen -massaloze deeltjes die met bijna 300.000.000 meter per seconde reizen – zich gedragen alsof ze een fractie van een massa hadden gekregen. Daardoor nam hun snelheid af, waardoor ze ongeveer 100.000 keer langzamer werden dan de lichtsnelheid waarmee ze normaal gesproken reizen.

Polariton

Maar wat kan dit vreemde gedrag van eenzame fotonen, die nu opeens met elkaar binden, verklaren? Daar hebben de wetenschappers een hypothese voor bedacht. Wanneer een foton op een rubidiumatoom botst, vormt er een polariton: een hybride die deels foton en deels atoom is. Polaritonen hebben massa, waardoor ze kunnen binden aan andere polaritonen. Zodra ze de koude rubidiumwolk verlaten, blijven de atomen die ze hebben opgepikt achter, maar blijven de fotonen aan elkaar gebonden.

Het bizarre is nog dat de gehele interactie binnen de atoomwolk tot stand komt in een miljoenste van een seconde! En het is deze interactie die ervoor zorgt dat fotonen aan elkaar gebonden blijven, zelfs nadat ze de wolk hebben verlaten.

Vincent Ginis (professor in de toegepaste natuurkunde aan de Vrije Universiteit Brussel) is te spreken over het onderzoek. “De echte doorbraak van dit werk ligt in het aantonen dat je sterk interagerende systemen van verschillende fotonen kan creëren. Tot nog toe was dat slechts mogelijk voor duo’s. Nu is het bestaan van die trio’s dus ook aangetoond!”

“Dankzij de chemie weten we dat we atomen kunnen samenbrengen in moleculen: koolstof (C) en zuurstof (O) bijvoorbeeld kunnen samen koolstofmonoxide (het molecuul CO) vormen, maar ook het molecuul CO₂. En met dit experiment weten we nu ook dat er soortgelijke constructies kunnen worden gecreëerd met fotonen.”

Quantum computing

De ingewikkelde, maar bijzondere ontdekking leidt automatisch tot the same old question: wat hebben we eraan? De onderzoekers zien toepassingen in quantumcomputers, processors die bepaalde problemen véél sneller kunnen oplossen dan de computers die we nu kennen.

“Er wordt al gebruikgemaakt van licht om informatie door te geven”, zegt hoofdonderzoeker Vladan Vuletic. “Als fotonen elkaar kunnen beïnvloeden en je kunt ze verstrikken, zoals wij hebben gedaan, dan zijn ze bruikbaar om quantuminformatie te verspreiden.” Zou ons dat weer een stap dichterbij de roemruchte quantumcomputer brengen?

Bronnen: Science, MIT, New Atlas

Beeld: Christine Daniloff/MIT

Lees ook:

• Quantumcomputer werkt beter met goedkoop materiaal
• ‘Quantumcomputer is oplossing op zoek naar probleem’

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!