Krystalizované světlo na elektronickém čipu

Pevné či obecně jakkoliv hmatatelné struktury jsou ve vesmíru za běžných podmínek utvářeny pouze z jednoho typu částic, které nesou název fermiony. K tomuto typu částic patří například částice, které formují atomy a molekuly - tedy protony, neutrony a elektrony. Atomy pak mohou vytvářet pevné, kapalné či plynné útvary, podle momentálních podmínek, které určují skupenství příslušné látky.

Částice světla, fotony, však patří ke zcela odlišnému typu hmoty, k tzv. bozonům. Bozony za běžných podmínek pevné struktury nevytvářejí. Fotony také na sebe navzájem prakticky silově nepůsobí. Výzkumníci z Princetonské univerzity však pro fotony vytvořili speciální elektronický čip, díky kterému se jim podařilo částice světla jakoby uvěznit a zformovat - vnutit jim určitou strukturu.

Centrálním bodem tohoto čipu bylo vytvoření tzv. umělého atomu o průměru asi půl milimetru. Umělý atom je přitom v principu jakousi funkční napodobeninou atomu skutečného. Zpravidla jde o mnohem větší až někdy makroskopicky viditelný objekt, který je schopen podobného chování při energetických interakcích jako atom skutečný. Umělý atom může měnit své vnitřní energetické stavy, doprovázené změnou konfigurace elektronů, a pohlcovat nebo naopak vyzařovat dobře definované dávky energie, tedy působit na své okolí. Častým případem umělých atomů jsou například tzv. kvantové tečky, což jsou soubory desetitisíců až stamiliard identických atomů, které se chovají stejným způsobem. Přitom těmto kvantovým tečkám čili umělým atomům zůstávají jejich kvantové vlastnosti, které jsou typické pro jednotlivé atomy. Zde byl umělý atom tvořen dokonce skupinou 100 miliard atomů.

Vědci vpustili pomocí supravodivého drátu do systému na čipu mikrovlnné záření, tedy fotony či vlny elektromagnetického záření v oboru mikrovln. Díky kvantovému provázání umělého atomu a vpuštěných fotonů se pak vytvořila pevná struktura zářivého pole, která byla v čipu uvězněna díky působení umělého atomu. Jednotlivé fotony elektromagnetického pole pak dokonce na sebe začaly navzájem efektivně působit a vytvořily společně jakousi krystalickou mřížku. Vědci se však střetli se zásadními problémy - tuto mřížku bylo velmi těžké detekovat a pokud se tak stalo, fotonová mřížka se kvůli nestabilitě okamžitě rozpadla. Museli proto vyvinout speciální metodu detekce fotonové mřížky, která je založena na občasném úniku fotonu z tohoto systému. Aby se však systém kvůli úniku energie nehroutil, museli do něj vědci neustále doplňovat nové fotony, tedy novou elektromagnetickou energii.

Vědci z Princetonské univerzity uvažují, že podobné zvláštní systémy mohou v budoucnu sloužit ke konstrukci neobvyklých kvantových počítačů, které budou zvládat simulace některých dnes těžko řešitelných úloh. Dotyčné simulace se budou týkat chování složitých kvantových systémů mnoha částic, které se nacházejí v dynamické nerovnováze. Tento výzkum může nakonec pomoci jak k většímu pochopení světa shluků elementárních částic, tak i k vývoji nových zvláštních materiálů na jejich bázi.

Zdroje: Popular Science, IFL Science, Phys.Org, Physical review X