În analiza lui Szőcs Francisc
Poate fi capturat un foton? Experimentele arată că radiația electromagnetică poate fi păstrată temporar într-o cavitate și că informația transportată de lumină poate fi transferată în materie, conservată și recuperată ulterior. Expresia „foton captiv” reunește însă mecanisme diferite. Pentru a înțelege rezultatele, trebuie precizat ce anume este reținut, prin ce procedeu și pentru cât timp.
Fotonul este cuanta câmpului electromagnetic. Are masa de repaus zero și sarcină electrică nulă, dar transportă energie și impuls. Energia sa este dată de relația (E=h\nu), unde (h) este constanta lui Planck, iar (\nu) este frecvența. Un foton violet are, astfel, mai multă energie decât unul roșu. Aceeași descriere cuantică se aplică microundelor, radiației infraroșii, razelor X și radiațiilor gamma.
În vid, viteza luminii are valoarea exactă de 299.792.458 de metri pe secundă. Relativitatea restrânsă nu permite existența unui sistem de referință inerțial în care un foton liber să fie în repaus. Capturarea luminii în laborator înseamnă, prin urmare, confinarea câmpului electromagnetic sau transferul stării sale într-un sistem material.
O metodă de confinare folosește două oglinzi foarte reflectante, dispuse astfel încât radiația să efectueze reflexii repetate. Ansamblul formează o cavitate Fabry–Pérot. Distanța dintre oglinzi, geometria lor și proprietățile materialelor determină frecvențele de rezonanță și distribuția câmpului în interior.
La nivel cuantic, imaginea unei particule care ricoșează pe un traseu permanent bine definit este insuficientă. Un singur foton poate reprezenta o excitație a unui mod electromagnetic al cavității. Modul descrie structura spațială a câmpului și frecvența sa. O configurație de undă staționară nu presupune existența unui foton liber nemișcat.
Cavitățile reale pierd energie. O parte din radiație este absorbită de materiale, împrăștiată de imperfecțiuni sau transmisă în exterior. Dispozitivele includ și căi de cuplare pentru introducerea și extragerea luminii. Durata de păstrare depinde de toate aceste procese.
Un parametru important este factorul de calitate, notat (Q). Acesta caracterizează energia stocată în raport cu pierderile. La aceeași frecvență, un factor (Q) mai mare indică o retenție mai îndelungată a energiei. Compararea dispozitivelor cere însă și precizarea frecvenței: aceeași valoare (Q) nu înseamnă automat aceeași durată de stocare în domeniul optic și în cel al microundelor.
Un rezultat relevant a fost publicat în 2007 de Stefan Kuhr și colaboratorii săi. Cercetătorii au construit un rezonator cu oglinzi de cupru prelucrate cu mare precizie și acoperite cu niobiu supraconductor. La aproximativ 51 de gigaherți și o temperatură de 0,8 kelvini, dispozitivul avea un timp caracteristic de amortizare de 130 de milisecunde. Experimentul privea fotoni de microunde.
Timpul caracteristic descrie comportamentul statistic al pierderilor. Într-un model de decădere exponențială, probabilitatea păstrării unui foton scade progresiv. Unele evenimente de pierdere apar înaintea acestui interval, altele după el. Durata unei observații individuale poate depăși timpul caracteristic fără să existe o contradicție.
Păstrarea fotonului ridică o a doua problemă: cum poate fi detectat fără să fie absorbit? Fotodetecția obișnuită consumă fotonul în procesul de înregistrare. Urmărirea repetată a câmpului dintr-o cavitate cere o metodă diferită.
Într-un experiment publicat în Nature în 2007, Sébastien Gleyzes, Serge Haroche și colaboratorii lor au folosit atomi care traversau o cavitate supraconductoare. Interacțiunea cu radiația modifica faza stării atomilor, fără absorbția fotonilor în procesul de sondare. Măsurarea atomilor permitea deducerea numărului de fotoni și identificarea schimbărilor acestuia. Cercetătorii au raportat păstrarea unor fotoni de microunde pentru intervale de până la aproximativ o jumătate de secundă.
Procedura este o măsurare cuantică nedemolatoare a numărului de fotoni. Ea permite citirea repetată a acestei mărimi în condiții controlate. Nu oferă acces simultan, fără perturbare, la toate proprietățile cuantice ale câmpului. Rezultatul demonstrează că prezența și dispariția fotonilor pot fi urmărite fără absorbția lor directă de către instrumentul de sondare.
Un alt sens al expresiei „lumină captivă” apare în experimentele de încetinire și stocare a impulsurilor luminoase în materie.
În 1999, Lene Vestergaard Hau și colaboratorii săi au raportat propagarea unor impulsuri cu aproximativ 17 metri pe secundă într-un gaz ultrarece de atomi de sodiu. Rezultatul se referea la viteza de grup, asociată deplasării anvelopei impulsului prin mediul respectiv. Valoarea vitezei luminii în vid rămânea aceeași.
Experimentul utiliza transparența indusă electromagnetic. Un laser de control modifica răspunsul atomilor, permițând propagarea impulsului într-o bandă spectrală îngustă și producând condițiile necesare reducerii vitezei sale de grup. Descrierea implică interacțiunea coerentă dintre lumină și materie; simpla imagine a unor fotoni încetiniți mecanic nu explică fenomenul.
În 2001, Chien Liu, Zachary Dutton, Cyrus Behroozi și Lene Vestergaard Hau au demonstrat stocarea informației coerente a unui impuls luminos într-un nor rece de atomi de sodiu. Prin modificarea laserului de control, informația impulsului era transferată într-o excitație colectivă a mediului atomic. Reaplicarea câmpului de control permitea regenerarea impulsului după intervale de până la o milisecundă.
În etapa de stocare, informația era păstrată în coerența atomică. Aceasta este semnificația experimentală a „luminii oprite” în acel sistem. Procesul presupune un transfer reversibil între câmpul luminos și stările materiei.
Absorbția obișnuită nu îndeplinește această funcție. Un material care primește lumină și se încălzește stochează energie, dar nu păstrează automat informația necesară reconstruirii stării optice inițiale. O memorie trebuie să conserve relațiile relevante de amplitudine și fază și să permită recuperarea controlată a semnalului.
Pentru memoriile cuantice contează simultan durata de păstrare, eficiența recuperării, fidelitatea stării recuperate și zgomotul introdus. O excitație poate persista în material chiar dacă interacțiunile necontrolate cu mediul au degradat informația cuantică pe care o purta.
Aceste dispozitive au un rol important în dezvoltarea rețelelor cuantice. Fotonii transportă stări între noduri, iar sistemele materiale le păstrează temporar pentru sincronizarea operațiilor. Deoarece o stare cuantică arbitrară și necunoscută nu poate fi copiată perfect printr-o procedură universală, extinderea comunicațiilor cuantice necesită metode diferite de amplificarea semnalelor clasice.
Confinarea luminii are utilizări și în spectroscopie, stabilizarea frecvenței laserelor și măsurări de precizie. Rezonatoarele integrate pe cip urmăresc obținerea unor pierderi reduse și controlul câmpului într-un volum mic. Performanța lor depinde de material, de fabricație și de modul în care lumina este cuplată în dispozitiv.
La scară astrofizică, imposibilitatea luminii de a părăsi o regiune poate avea o cauză diferită. În relativitatea generală, propagarea radiației este determinată de geometria spațiu-timpului. Din interiorul orizontului evenimentelor unei găuri negre, niciun semnal luminos nu poate ajunge la exterior. Local, lumina se propagă în vid cu aceeași viteză fundamentală.
Orizontul evenimentelor trebuie deosebit de sfera fotonică. În modelul unei găuri negre fără rotație și fără sarcină electrică, aceasta se află în exteriorul orizontului și admite orbite circulare ale luminii. Orbitele sunt instabile: mici perturbări pot îndepărta radiația de traiectoria circulară. Ele nu constituie un sistem de stocare controlată comparabil cu un rezonator de laborator.
Sensul științific al „fotonului captiv” depinde, așadar, de mecanismul discutat. Într-o cavitate se păstrează temporar o excitație electromagnetică. Într-o memorie optică, informația luminii este transferată în materie și recuperată. În cazul unei găuri negre, geometria spațiu-timpului stabilește limita propagării către exterior. Fiecare situație are propriile condiții fizice și propriile criterii de verificare.
