فیزیکدانان برای نخستین بار ماده و نور را در دمای اتاق ترکیب کردند

نور و ماده معمولا جدا از هم هستند، با خواصی کاملا متمایز، اما اکنون گروهی از دانشمندان بریتانیایی یک ذره‌ی نور را که فوتون نامیده می‌شود، با یک مولکول در یک حفره‌ی بسیار کوچک، به دام انداخته‌اند.

این یک دستاورد بسیار بزرگ محسوب می‌شود، چرا که منجر به ایجاد مسیر کاملا جدیدی برای دستکاری و تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی ماده می‌شود و می‌تواند نحوه‌ی پردازش اطلاعات کوانتومی را نیز تغییر دهید.

این مخلوط کامل نور و یک مولکول که اتصال قوی (strong coupling) نامیده می‌شود، قبلا نیز بدست آمده بود، اما روند ایجاد آن همواره شامل آزمایشات پیچیده در دماهای بسیار پایین بوده است.

با دستیابی به این مخلوط در دمای اتاق، پژوهشگران روند دستیابی به آن را از لحاظ شیمیایی بسیار ساده‌تر کرده‌اند، بدین معنی که آنها اکنون می‌توانند با این مخلوط کارهای جالبی انجام دهند.

یکی از پژوهشگران، اورتوین هس از ایمپریال کالج لندن می‌گوید:

ما در حال حاضر قادر به انجام طیف وسیعی از آزمایشات بر روی ماده و نور هستیم که تا پیش از این انجام آن بسیار پرهزینه و دشوار بود. ما می‌توانیم از نور برای تغییر ساختار شیمیایی ماده به صورت مولکول به مولکول، استفاده کنیم. همچنین می‌توان از آن در فناوری‌های کوانتومی استفاده کرد. نور حامل اطلاعات کوانتومی است و ما می‌توانیم با استفاده از این اتصال قوی، اطلاعات را به ماده کپی کنیم و بالعکس.

صرفنظر از کاربردهای ترکیب یاد شده، می‌توان از آن برای نمایش کامل آثار کوانتومی نور نیز استفاده کرد.

هس می‌گوید:

این آزمایش نشان داد که نور طبیعتی کوانتومی دارد و در واقع آثار کوانتومی پیش‌بینی شده را به نمایش گذاشت، این تلاقی قابل توجهی از تئوری و تجربه است. بسیار شگفت‌آور است که طبیعت تا چه حد همانند تئوری، رفتار می‌کند.

اما نور و ماده چگونه با هم مخلوط می‌شوند؟ مولکول‌ها هنگامی که سطح انرژی خود را تغییر می‌دهند، قادر به گسیل فوتون‌ (ذرات نور) می‌شوند. اما معمولا هنگامی که این فوتون‌ها گسیل می‌شوند، هرگز باز نمی‌گردند و بنابراین این دو هیچگاه مخلوط نمی‌شوند.

اما بر اساس شبیه‌سازی‌های انجام شده توسط تیم هس، گروهی از پژوهشگران دانشگاه کمبریج قادر به ایجاد دام بسیار کوچکی شدند، به اندازه‌ای کوچک که وقتی یک مولکول فوتونی را گسیل می‌دهد،‌ فوتون موفق به گریز نمی‌شود. این امر باعث انتقال نوسانی انرژی بین مولکول و بصورت مکرر شده و در نهایت حالت مخلوطی از نور و ماده ایجاد می‌شود.

این دام که "nanopore" نامیده می‌شود، تا حدودی مشابه یک سالن طلایی و پر از آینه بوده و در حقیقت حفره‌‌ای به قطر ۱ نانومتر است و بین یک کره‌ی بسیار کوچک و فیلمی از جنس طلا شکل گرفته است.

فیلم طلا تصویری آینه‌ای را از کره ایجاد می‌کند و هنگامی که پژوهشگران یک مولکول رنگی را در آنجا به دام انداختند، می توانند موقعیت آن را به گونه‌ای تنظیم کنند که فوتون گسیل یافته نیز به دام بیفتد. هس در این رابطه می‌گوید:

این حفره به اندازه‌ای کوچک است که نور در داخل آن مجبور به ترکیب شدن با ماده می‌شود.

پژوهشگر ارشد، جرمی بامبرگ از دانشگاه کمبریج می‌افزاید:

این حفره نقش یک تالار آینه را برای مولکول ایفا می‌کند، با این تفاوت که قطر آن یک صد هزارم تار موی انسان است.

اگرچه این فرآیند فیزیکی در مقیاس فوق‌العاده کوچکی انجام شده‌ است، اما محققان با بررسی الگوی تشعشعات الکترومغناطیسی ساطع شده از مولکول، از ایجاد شدن اتصال قوی اطلاع یافته‌اند. هنگامی که این اتصال به دو حالت کوانتومی مجزا تقسیم شد، پژوهشگران قادر به تایید این موضوع شدند که فوتون در کمتر از یک تریلیونیم ثانیه به مولکول بازگشته است.

اکنون که آنها در دمای اتاق به این مخلوط دست یافته‌اند، این دستاورد، مسیر جدیدی را برای مطالعه‌ی ساختار ماده و فرایندهایی همچون فتوسنتز، ایجاد می‌کند. گفتنی است که این تحقیق در ژورنال نیچر منتشر شده است.