Amikor a fény és az anyag elválaszthatatlanul összefonódik

Az anyag különleges új formájáról számolt be a Chicagói Egyetem Jonathan Simon által vezetett laboratóriuma a Nature-ben július elején. Az új anyagtípusban az atomok és a fotonok tulajdonságai elválaszthatatlanul összekapcsolódnak – írták. 

A megértés érdekében szemléltessük az atomok és a fotonok közötti különbséget. Ütköztessünk össze két golyót, ekkor mindkét golyó mozgása megváltozik. Indítsunk el két lézersugarat és a két nyaláb útja keresztezze egymást: a találkozás után a két nyaláb változatlanul halad tovább. Azt mondjuk erre, hogy amikor az atomok ütköznek, megváltozik pályájuk, esetleg át is alakulnak – mindez nem történik meg a fotonokkal, nem jön közöttük létre kölcsönhatás.

Mi a polariton?

Létrehozhatók azonban olyan különleges körülmények, amikor erős csatolás jön létre az atomok és a fotonok között, ezt a csatolt állapotot nevezzük polaritonnak. Ennek alapja a rezonanciaelv. 

Az egyes atomok jól definiált hullámhosszon sugároznak, vagy nyelik el a fényt, ezt nevezzük spektrumvonalaknak, vagy -sávoknak. A 19. század végén figyelték meg ezeket a diszkrét sávokat, amelyek eredetét nem tudta megmagyarázni a klasszikus fizika. Hidrogénatomok esetén Johannes Rydberg (1854-1919) svéd fizikus találta meg azt a matematikai formulát, ami leírta az egyes vonalak hullámhosszfüggését. Később a kvantummechanika létrejötte megadta a magyarázatot erre a jelenségre is.

Ha olyan fénnyel világítjuk meg az atomokat, amely megfelel valamilyen sávnak, akkor az atomok rezonanciaszerűen nyelik el a fényt. De ez még nem polariton, csak a kiindulópont. Polaritonok létrehozásához optikai üreggel állóhullámokat kell létrehozni. Ennek elve, hogy négy parányi tükörrel ide-oda tükröztetjük a fényt, amely ennek során az üregben állóhullámokat hoz létre. Ebbe az optikai üregbe kell bevinni egy atomokból álló gázt, és úgy kell megválasztani az üreg méretét, hogy az abban kialakuló hullámok hosszúsága pontosan megfeleljen valamelyik atomi sávnak. 

Ezt a rendszert már tekinthetjük polaritonnak, de a kísérletezőknek arra volt szüksége, hogy a polaritonok közötti kölcsönhatást tudják kimutatni. Ennek érdekében olyan optikai üreget hoztak létre, amelynek két kis mértékben eltérő rezonancia frekvenciája van, és meg kellett oldani, hogy egyidejűleg mindkét frekvencia megjelenjen az atom színképében. Ez utóbbit oldották meg a Floquet-moduláció segítségével. (Gaston Floquet 1920-ban elhunyt francia matematikus a lineáris differenciálegyenleteket vizsgálta periodikusan változó függvények esetén).

Modulált frekvenciájú polaritonok

Ebben a módszerben a lézerfény amplitúdóját periodikusan változtatják, így a gerjesztési amplitúdó is periodikusan változik. A konkrét kísérletben ezer körüli rubídiumatomot alkalmaztak olyan alacsony hőmérsékleten, amikor valamennyi atom besugárzás nélkül az 5S1/2 alapállapotban van. (Ebben a jelölésben az első szám az n=5 főkvantumszám, az S pálya azt jelenti, hogy az L mellékkvantumszám, azaz a pálya impulzusnyomaték nulla, míg az ½ index jelöli az eredő impulzusnyomatékot, amihez ekkor csak az elektron spin ad járulékot.) 

A rubídiumatom rendszáma 37, azaz az atommagban 37 pozitív töltésű proton van, és az elektronfelhőt 37 részecske alkotja. Ebből 36 zárt héjakat alkot, viszont egyetlen elektron kikerül a külső n=5 főkvantumszámú pályára. A kísérletben 780 nm hullámhosszú lézerfényt alkalmaztak, ami az elektront az 5P3/2 pályára gerjeszti. (Itt P mutatja az L=1 mellékkvantumszámot, míg a 3/2 index az eredő impulzusmomentumot jelöli.) 

Modulációt úgy hoznak létre, hogy a gerjesztés hatásfokát periodikusan változtatják, azaz képletesen szólva „megrázzák” a gerjesztett elektronpályát. Ennek következtében az eredeti 780 nm hullámhosszú sáv alsávokra bomlik, amelyek eltérését a fősávtól a modulációs frekvencia határozza meg. Megfelelő frekvenciájú modulációt alkalmazva elérhető, hogy amíg az alapfrekvencia az optikai üreg egyik modusával egyezik meg, addig a modulációs frekvenciával növelt másik sáv az üreg másik modusát gerjeszti.

További csavar

A sikeres kísérlethez ezen kívül még egy további csavarra volt szükség. Ennek oka, hogy a polaritonok közötti kölcsönhatás mértéke a gerjesztett elektronpálya sugarától is függ, és ehhez az 5P3/2 pálya kiterjedése nem elég, mert nem éri el az optikai üreg méretét. Emiatt vették célba a nagy főkvantumszámú n=100 pályát, amelynek sugara meghaladja az üreg szélességét. 

Ezt az elektronpályát nevezik Rydberg-pályának. Az elnevezés onnan származik, hogy ez a nagy sugarú pálya már teljes egészében a belső pályákon kívül van, és így a belső 36 elektron árnyékoló hatása miatt a külső elektronra a 37 proton töltése helyett csak egyetlen pozitív elemi töltés hat. Ez azt eredményezi, hogy az elektronpálya energiája pontosan megfelel a hidrogén esetének, amelyet a Rydberg-formula ír le. Ennek a pályának a gerjesztése az 5P3/2 nívóról történik egy másodlagos 488 nm hullámhosszú lézersugárral.

Hogyan mutatja ki a kísérlet a polaritonok erős kölcsönhatását?

Ezután már rátérhetünk a konkrét kísérlet leírására. Ebben a 780 nm-es modulált sugárzás két ellentétes irányból éri az optikai üreget, a modulációs frekvencia hangolásával elérve, hogy mind a két modussal biztosítva legyen a rezonancia. Amikor csak az egyik lézernyaláb van bekapcsolva, a fény zavartalanul áthalad az üregen, de ha a másodikat is bekapcsolják, az már megakadályozza az ellentétes irányú sugárzás kilépését az üregből, ily módon kimutatva a blokkoló hatást.

Ez a felfedezés új és szokatlan kvantumfizikai jelenségek vizsgálatára nyújt lehetőséget különleges effektusok létrehozásával, de biztatóak a gyakorlati alkalmazási lehetőségek is. Csak egy példát említve: a frekvenciasávok modulálása lehetővé teszi az információ titkos kódolását. 

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Kalandozások a fizikában címen a Qubiten futó sorozatának korábbi írásai itttudósportréi pedig itt találhatók. 

Kvantumfizikai témákkal az alábbi cikkeinkben foglalkoztunk korábban: