Physicists Find a New Way to Make Hybrid ‘Particles’ That Are Part-Matter, Part-Light

Photons – those fundamental particles of light – have a slew of interesting properties, including the fact they don’t tend to crash into one another. That hasn’t stopped physicists from trying, though.University of Chicago physicists have now come up with a new, highly flexible way to make photons behave more like the particles that make up matter. It might not give us lightsabers, but making photons collide could still lead to some fantastic technologies.

The trick to getting particles of light – which have no mass – to acknowledge one another’s existence is to have them meet in the quiet confines of an atom, and combine their properties with those of an electron.

Researchers have been studying these interactions in the lab for several years now. The electron-photon partnerships form a kind of ‘hybrid’ quasiparticle called a polariton. Or, if you prefer your science to come with a touch of whimsy, magic dust.

Whatever you want to call them, having light-like qualities allows polaritons to move quickly through space, while their atomic meeting room determines how they interact, giving them the best of both worlds.

Low mass, photon-like particles have huge potential in computing and encrypted communication, so physicists are keen to get a better grip on controlling them.

„But we were running into a problem because the photons only interact with atoms whose electronic orbitals are at very particular energies,” says University of Chicago physicist Logan Clark.

Being constrained to only using electrons at a handful energies is about as useful as a keyboard of vowels. It helps to have a few more interactions up your sleeve if you want them to have a wide range of applications.

Clark was already looking at ways of manipulating the complexities of atomic energy levels by making use of a quirk of quantum physics that splits electron orbitals into copies when given the right kind of shake.

„We had always viewed the copies as a side effect rather than the goal,” says Clark.

„But this time, we shook our electrons with the specific intent of making the copies.”

Getting a particle to jiggle in just the right quantum fashion requires the application of Floquet engineering, which has its roots in a history of tinkering with electromagnetic fields in a carefully timed fashion.

Clark and his team used a laser to nudge electrons in an excited rubidium atom, making them buzz in a way that effectively changed the atom’s colour spectrum.

Usually atoms don’t like to change their stripes. The hydrogen emits the same spectrum of colour no matter where it is in the Universe, for example; a feature that helps us identify it and other elements far away in space.

But by plucking the orbitals of rubidium’s electrons in the right way, the physicists could change their orbitals. Tuning the laser just right then gave them a shake that produced a number of new energy levels from each orbital.

It was then a matter of combining photons with the cloned electron orbitals operating at multiple levels, creating a variation on the quasiparticle the researchers have dubbed a Floquet polariton.

Like the more common variety, these hybrids have properties of light with a small amount of mass provided by its interaction with the electron.

Unlike other polaritons, they exist in a space that can be better customised that can be controlled by simply modulating the frequency of their surroundings.

„Floquet polaritons are full of surprises; we’re still continuing to understand them better,” says Clark.

„Our next order of business, though, will be to use these colliding photons to make topological ‘fluids’ of light. It is a tremendously exciting time.”

Using Floquet engineering to match the rainbow of light from various sources will almost certainly help quantum technologies advance, not to mention providing new ways to study interactions of light and matter.

Polaritons might not be the solid beams of light of science fiction, but they just might brighten the future anyway.

Fotonii – aceste particule fundamentale de lumină – au o mulțime de proprietăți interesante, inclusiv faptul că nu au tendința de a se lovi unul de celălalt. Asta nu i-a împiedicat pe fizicieni să încerce. Cu toate acestea, fizicienii din Chicago au venit acum cu un nou mod extrem de interesant de a face fotonii să aibă un comportament mai apropiat de particulele materiale. Nu-i sigur c-am putea construi săbii laser ca în Star Trek, dar ciocnirea fotonilor unul de celălalt ar putea conduce la unele tehnologii fantastice.

Trucul de a determina particulele de fotoni – care nu au nicio masă – de a se recunoaște reciproc este de a-i face să se întâlnească în proximitatea unui atom unde să-și combine proprietățile cu cele ale unui electron.

Cercetătorii studiază aceste interacțiuni în laborator de câțiva ani. Tovărășia electron-foton formează un fel de cvasiparticule „hibride” numite polariton. Sau, dacă preferi ca știința să vină cu un strop de fantezie, praf magic.
Oricum doriți să le denumiți, calitățile asemănătoare luminii permit polaritonilor să se deplaseze rapid prin spațiu, în timp ce proprietățile atomice determină modul în care interacționează, oferindu-ne tot ce este mai bun din ambele părți.
Particule asemănătoare cu fotoni cu masă scăzută, au un potențial imens în informatică și comunicarea criptată, astfel încât fizicienii sunt dornici să obțină o mai bună abordare asupra controlării acestora.

„Dar ne confruntăm cu o problemă, deoarece fotonii interacționează doar cu atomi ale căror orbite electronice sunt la energii foarte particulare”, spune fizicianul Universității din Chicago, Logan Clark.
A fi constrâns să se folosească electroni doar la energii controlate este la fel de util ca o tastatură vocală. Vă ajută să aveți mai multe tipuri de interacțiuni în mânecă dacă doriți ca acestea să aibă o gamă largă de aplicații.
Clark se gândește deja la modalități de manipulare a complexelor niveluri de energie atomică, prin utilizarea unui capriciu din fizica cuantica care împarte orbitele electronilor în duplicate, atunci când electronii sunt suprasaturați.

„Am văzut întotdeauna duplicatele ca un efect secundar mai degrabă decât ca un obiectiv”, spune Clark.
„Dar de data aceasta, am saturat electronii cu intenția specifică de a face copii.”
Obligarea unei particule de a vibra într-o manieră cuantică corectă necesită aplicarea ingineriei Floquet, care își are rădăcinile într-o istorie bogată de joacă cu câmpurile electromagnetice într-o manieră atent programată.
Clark și echipa sa au folosit un laser pentru a arunca electroni într-un atom de rubidiu excitat, făcându-i să se bâlbâie într-un mod care, efectiv, a schimbat culoarea spectrală   al atomului.

De obicei, atomilor nu le place să-și schimbe dungile. De exemplu: hidrogenul emite același spectru de culoare indiferent de locul în care se află în Univers; o caracteristică care astfel ne ajută să identificăm și alte elemente aflate departe în spațiu.
Dar prin smulgerea electronilor de rubidiu de pe orbitele lor în mod corect, fizicienii ar putea obține orbite noi. Reglarea laserului în mod adecvat le-a dat un shake care a produs o serie de noi niveluri de energie pe fiecare electron orbital.
A fost apoi o provocare în a combina fotonii cu electronii orbitali clonați care operează la mai multe niveluri energetice, creând o variațiune de cvasiparticulă pe care cercetătorii au numit-o polaritonul Floquet.

Ca și varietatea mai comună, acești hibrizi au proprietățile fotonilor cu o cantitate mică de masă asigurată de interacțiunea lor cu electronul.
Spre deosebire de alte polaritone, hibrizii există într-un spațiu care poate fi personalizat mai bine, care poate fi controlat prin simpla modulare a frecvenței mediului înconjurător.
„Polaritonii Floquet sunt plini de surprize; continuăm să-i înțelegem mai bine”, spune Clark.
„Cu toate acestea, următoarea noastră comandă de afaceri va fi să folosim acești fotoni care se ciocnesc pentru a face„fluide” topologice de lumină. Este o perioadă extrem de interesantă.”
Folosirea ingineriei Floquet pentru a se potrivi cu curcubeul de lumină din diverse surse va ajuta aproape sigur la avansarea tehnologiilor cuantice, fără a mai menționa și furnizarea de noi modalități de a studia interacțiunile dintre lumină și materie.
Polaritonii s-ar putea să nu fie fasciculele solide de lumină din istoriile sci-fi, dar ar putea oricum să ne lumineze viitorul.

***