光子-光子相互作用による新しい光の形態を創出 – MITとハーバード大(レーザー光内の光子が結合)

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マサチューセッツ工科大学(MIT)、ハーバード大学などの研究チームは、複数の光子が相互作用することによって、これまで知られていなかった「新しい光の形態」となる現象を発見したと発表した。この状態の光子同士は量子もつれの関係にあると考えられており、今回発見された現象を光量子コンピュータに応用できる可能性もあるという。研究論文は科学誌「Science」に掲載された。

光の粒子である光子同士の間では通常、相互作用は働かないとされている。たとえば懐中電灯を2個用意してその光をぶつけたり交差させたりしても、光同士が引き寄せあったり反発したりすることはない。しかし、条件を制御した実験環境下では、実際に光子同士が相互作用を起こすことがあるという。研究チームは2013年に行った実験で、2個の光子が相互作用して結合して光子対を形成する現象を報告していたが、今回はさらに3個の光子が相互作用して三重項(triplet)を形成する現象を発見したという。

実験は、絶対零度近くまで冷却した極低温のルビジウム原子雲を用意し、この雲の中を微弱なレーザー光が通過するというものである。レーザー光は極めて少数の光子しか含まない非常に微弱なものであり、雲に入る前には個々に独立していた光子が、雲から出た後は2個または3個の光子が結合した状態になるという。通常の光子は質量をもたず光速(秒速約30万km)で動くが、結合状態の光子は電子1個の質量の数分の1という質量をもつようになり、相互作用しない通常の光子と比べると速度も10万分の1程度に遅くなるという。

この現象が起こる仕組みついては次のような仮説が立てられている。まず、光子1個が原子雲の中に入っているとき、その光子はルビジウム原子上に短時間とどまり、次の瞬間には別のルビジウム原子へと移る。その動きはミツバチが花から花へと飛び移っていくように見えるが、このときルビジウム原子と光子の混合状態が生じてポラリトンと呼ばれる準粒子が形成される。

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