Ученые из Института структуры и динамики вещества Макса Планка (MPSD) доказали, что фотоны, пойманные в оптический резонатор, могут раскрывать детали о материале, помещенном внутрь. Если измерить свойства фотонов, которые «просачиваются» наружу, можно понять, как резонатор меняет свойства материала. Это открывает новые возможности для экспериментов с системами, где свет и вещество переплетены.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Квантовая механика говорит: даже абсолютная пустота не пуста. В ней постоянно рождаются и исчезают частицы — это называют квантовыми флуктуациями. Представьте кипящую воду: молекулы выскакивают из жидкости и возвращаются обратно. Так и здесь — флуктуации хоть и в среднем равны нулю, но их разброс влияет на свойства материалов, особенно магнитных и изоляционных.

Если создать оптический резонатор — ловушку для света из сверхточных зеркал, — можно управлять этими флуктуациями и менять свойства материала внутри. Это новый способ контролировать вещество в равновесии, без экстремальных методов вроде лазерного воздействия.

Фотоны в резонаторе отражаются от зеркал, проходят через материал снова и снова, усиливая связь света и вещества. Но вот проблема: заглянуть внутрь почти невозможно. Размеры резонатора — около микрона, датчик не поместишь. Поэтому экспериментально подтвердить изменения в материале до сих пор было сложно.

Теперь ученые MPSD предложили решение: анализировать фотоны, которые вылетают из резонатора естественным образом. Они несут информацию о материале.

Фотоны взаимодействуют с веществом, и его свойства на них «отпечатываются», — объясняет Лукас Грунвальд, ведущий автор исследования.

В качестве примера ученые рассмотрели модель атома водорода в магнитном поле. При увеличении поля система переходит из немагнитного состояния (синглет) в магнитное (триплет).

Удивительно, но этот переход виден просто по количеству фотонов в резонаторе, — говорит Грунвальд.

Другой пример — кластер магнитных ионов в резонаторе. Здесь возможные магнитные состояния материала прямо отражаются в частоте вылетающих фотонов.

Это можно проверить уже существующими методами интерферометрии, — добавляет соавтор Эмиль Винас Бострем.

Мы только начинаем понимать, как работают такие гибридные системы, — говорит Анхель Рубио, руководитель теоретического отдела MPSD. — Наша цель — использовать неклассические состояния света, чтобы раскрыть свойства материалов, которые обычные методы не видят.

Этот метод может стать прорывом в материаловедении и квантовых технологиях.

• Новые материалы — можно точечно менять свойства веществ без разрушающего воздействия, что полезно для создания сверхпроводников или квантовых компьютеров.
• Биология — изучение молекул в резонаторах поможет разработать сверхчувствительные сенсоры для медицины.
• Энергетика — управление светом и веществом на nano-уровне может повысить эффективность солнечных батарей.

Главный вопрос — насколько метод масштабируем. Пока работают с микроскопическими образцами, а для практики нужны макроскопические эффекты. Кроме того, интерпретация данных фотонов сложна: шумы и внешние помехи могут искажать сигнал.

Ранее в начале 2025 года мир увидел первый фотонный квантовый компьютер.