Канадские ученые из университета Торонто зафиксировали явление, которое ранее считалось невозможным. В результате эксперимента было выявлено, что фотон может находиться в возбужденном состоянии атома в отрицательное время. Открытие поможет лучше понять взаимодействие света и материи и может быть использовано в инновационных квантовых сенсорах. Результаты эксперимента опубликованы в журнале APL Quantum.
В ходе опыта было изучено, что происходит, когда свет (в виде фотона) проходит сквозь группу атомов. Обычно, когда свет сталкивается с атомом и переводит электрон в более высокое энергетическое состояние, считается, что он теряет энергию и меняет направление. Однако ученые обнаружили, что в среднем время, которое фотон проводит внутри возбужденного атома, может быть даже отрицательным.
Чтобы зафиксировать это необычное явление, ученые применили специальный метод, который можно представить как очень деликатное прощупывание атома. Они использовали как бы невидимый щуп, чтобы узнать, находится ли атом в возбужденном состоянии, при этом не влияя на сам процесс. Затем, собрав данные за определенный период времени, они вычислили среднее время пребывания фотона в возбужденном состоянии.
Оказалось, что для определенных типов света (узкополосных импульсов) это время было отрицательным (-0,82 ± 0,31) θ₀, а для других (широкополосных) — положительным (0,54 ± 0,28) θ₀. Здесь θ₀ — это обычное, положительное время возбуждения. Примечателен тот факт, что эти отрицательные значения — это не просто цифры в уравнении, а реально измеренный физический эффект.
Чтобы проверить, насколько их наблюдения соответствуют действительности, исследователи провели эксперимент. Они взяли облако атомов рубидия-85, очень сильно охладили его (почти до абсолютного нуля) и направили в него два лазерных луча навстречу друг другу. Один луч воздействуют на атомы, а другой, с помощью точного измерения фазы, фиксирует это воздействие. Результат подтвердил, что фотон как бы оставался в возбужденном состоянии еще до того, как он должен был туда попасть.
Это открытие не говорит о том, что причина может возникать после следствия. Оно, скорее, заставляет ученых задуматься о том, как время работает в квантовом мире, и какие новые возможности это понимание может дать для создания новых технологий. Исследование показывает, насколько необычно свет и материя взаимодействуют друг с другом, и что даже самые базовые вещи, такие как, например, ощущение времени, могут вести себя совершенно иначе на квантовом уровне.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, как квантовые сигналы были впервые переданы через обычные оптоволоконные сети.
