Vieme, že všetka hmota sa skladá z elementárnych častíc ako kvarky a elektróny a že aj svetlo môžeme popisovať ako prúd častíc, fotónov. Ak svetlo a látku spolu zatvoríme do malého priestoru, rozdiel medzi nimi sa stráca a pozorujeme nové častice, ktoré sú zmesou oboch.
Pri formulovaní fyzikálneho popisu nejakej situácie rozdeľujeme svet na to, čo je dané, a na to, čo sa mení – parametre a premenné, zadanie a riešenie. Fyzik skúmajúci materiál vystavený laserovému žiareniu bude považovať laser a jeho parametre (vlnová dĺžka, intenzita, smer šírenia) za súčasť zadania a riešením jeho rovníc bude odpoveď materiálu na vplyv svetla. Napríklad zmeny polôh atómov a chemických väzieb.
Jeho kolegyňa venujúca sa optike sa na rovnakú situáciu môže pozerať inak. Materiál a jeho schopnosť lámať a absorbovať svetlo budú pre ňu parametre, zatiaľ čo riešením jej rovníc bude, ako sa laser šíri po prechode materiálom. Ak je vzájomné pôsobenie medzi svetlom a látkou slabé, čo je častý prípad, takýto oddelený popis je možný. Previazanosť – svetlo ovplyvňuje materiál a materiál ovplyvňuje svetlo – naznačuje, že niekedy sa svetlo a hmota tak ľahko rozpliesť nedajú.
Medzi zrkadlami
Experiment, v ktorom k niečomu takému dochádza, sa nazýva optický rezonátor (v doslovnom preklade z angličtiny optická dutina). Ide o sústavu dvoch zrkadiel obrátených proti sebe, medzi ktorými sa môže odrážať svetlo. Vzdialenosť medzi zrkadlami môže byť rôzna, pre nás sú zaujímavé rádovo milimetrové a menšie mikrorezonátory. Ak sa do rezonátora umiestnia atóm, molekula alebo materiál, budú vystavené neustálemu kontaktu s odrážajúcim sa svetlom.
Mimo rezonátora by sa mohlo svetlo od materiálu odraziť alebo sa v ňom absorbovať a následne znovu vyžiariť. V prípade molekuly by medzi absorbovaním a vyžiarením svetla mohlo dôjsť k chemickej reakcii. Ak je však materiál uzavretý v rezonátore, svetlo, pri ktorom sa prejavujú jeho časticové vlastnosti, doň neustále dobiedza a vzájomné pôsobenie medzi fotónmi a časticami hmoty je dominujúcim javom. Častice hmoty a svetla naraz je jednoduchšie popisovať v jazyku kvázičastíc, o ktorých sme písali v Quarku 12/2021. Tu dokonca prichádza do hry viacero z nich.
Elektrón v látke si môžeme predstaviť sediaci vo svojom orbitáli. Keď absorbuje svetlo, dostane sa do vzbudeného (excitovaného) stavu a vyskočí z orbitálu. Tam zostane na jeho pôvodnom mieste diera, ktorú možno považovať za kladne nabitú časticu. Záporne nabitý elektrón a kladná diera sa priťahujú a ak sa držia pri sebe, vytvoria novú časticu, excitón. Ten je vystavený fotónom svetla odrážajúceho sa v rezonátore. Jednoduchší popis tejto situácie je opäť v podobe jednej častice zvanej polaritón. Pretože v rovniciach sú členy popisujúce svetlo a hmotu také prepletené, že ich nevieme jednoducho oddeliť, môžeme polaritóny považovať za hybridné stavy svetla a látky.
Častice simulujúce astrofyziku
Komplikovaný kolektívny tanec častíc svetla a hmoty sa dá opísať ako vznik nových kvázičastíc. Zmenami parametrov rezonátora vieme ovplyvňovať finálne fyzikálne zákony, ktorými sa riadia polaritóny, a to až do takej miery, že ich vieme použiť na simuláciu dejov z úplne iných odvetví fyziky.
Mimoriadnym kúskom je v tomto ohľade experiment výskumnej skupiny z Paríža, ktorá minulý rok použitím polaritónov simulovala efekty predpovedané pre čierne diery – áno, tie vesmírne objekty pochádzajúce zo skolabovaných hviezd. Tento experiment ukazuje atraktivitu kolektívnych javov vo fyzike materiálov: na stole v laboratóriu umožňujú vytvárať novú fyziku a skúmať objekty, ktoré sú inak nedosiahnuteľné.
Lukáš Konečný
Univerzita v Tromsø, Nórsko
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
