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Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

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Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von Frank » 16. Feb 2018, 08:09

Moleküle aus Licht: Forscher haben erstmals Photonen dazu gebracht, sich zu molekülähnlichen Dreiergruppen zusammenzuschließen. In diesem völlig neuen Zustand des Lichts verhalten sich die Photonen, als hätten sie eine geringe Masse und fliegen 10.000 Mal langsamer als normal, wie die Forscher im Fachmagazin "Science" berichten. Das gängige Bild von Photonen als nie miteinander interagierenden Einzelgängern ist damit wohl endgültig widerlegt.
http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-22 ... 02-16.html

Ok, die Laserschwerter bleiben erstmal Utopie, aber es ist doch erstaunlich, dass nun das Licht vom "Einzelgänger" zum sozialen Molekül wird :mrgreen:
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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von tomS » 16. Feb 2018, 09:59

Spannend!

Zunächst mal die Links auf zwei Originalartikel:


https://arxiv.org/abs/1709.01478
Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium
Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D. Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic
(Submitted on 5 Sep 2017 (v1), last revised 10 Nov 2017 (this version, v2))
Bound states of massive particles, such as nuclei, atoms or molecules, constitute the bulk of the visible world around us. In contrast, photons typically only interact weakly. We report the observation of traveling three-photon bound states in a quantum nonlinear medium where the interactions between photons are mediated by atomic Rydberg states. Photon correlation and conditional phase measurements reveal the distinct bunching and phase features associated with three-photon and two-photon bound states. Such photonic trimers and dimers possess shape-preserving wavefunctions that depend on the constituent photon number. The observed bunching and strongly nonlinear optical phase are quantitatively described by an effective field theory (EFT) of Rydberg-induced photon-photon interactions, consistent with the presence of a substantial effective three-body force between the photons. These observations demonstrate the ability to realize and control strongly interacting quantum many-body states of light.


https://arxiv.org/abs/1605.05651
Effective Field Theory for Rydberg Polaritons
M. J. Gullans, J. D. Thompson, Y. Wang, Q.-Y. Liang, V. Vuletic, M. D. Lukin, A. V. Gorshkov
(Submitted on 18 May 2016 (v1), last revised 15 Aug 2016 (this version, v2))
We develop an effective field theory (EFT) to describe the few- and many-body propagation of one dimensional Rydberg polaritons. We show that the photonic transmission through the Rydberg medium can be found by mapping the propagation problem to a non-equilibrium quench, where the role of time and space are reversed. We include effective range corrections in the EFT and show that they dominate the dynamics near scattering resonances in the presence of deep bound states. Finally, we show how the long-range nature of the Rydberg-Rydberg interactions induces strong effective N-body interactions between Rydberg polaritons. These results pave the way towards studying non-perturbative effects in quantum field theories using Rydberg polaritons.
Gruß
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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von Herr5Senf » 16. Feb 2018, 10:36

Man kann Licht auch "verschrauben" ;i einzelne Photonen machen "Lichtwirbel mit 10.000 Umdrehungen"
Mal wieder "der" Zeilinger http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1 ... 01494/full
Dazu zählen auch „Lichtschrauben“ mit Bahndrehimpulsen hoher Quantenzahl. Mit speziellen Spiegeln wurden bereits Bahndrehimpulse mit Quantenzahlen bis zu 10 000 ħ erzeugt. Dies ist sogar bei einzelnen Photonen möglich. Damit ist eine Form der Quantenverschränkung nutzbar, welche die Bahndrehimpuls-Quantenzahl eines Photons mit der Polarisation eines Partnerphotons verschränkt.

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von Frank » 16. Feb 2018, 12:50

tomS hat geschrieben:
16. Feb 2018, 09:59
Spannend!

Zunächst mal die Links auf zwei Originalartikel:


https://arxiv.org/abs/1709.01478
Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium
Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D. Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic
(Submitted on 5 Sep 2017 (v1), last revised 10 Nov 2017 (this version, v2))
Bound states of massive particles, such as nuclei, atoms or molecules, constitute the bulk of the visible world around us. In contrast, photons typically only interact weakly. We report the observation of traveling three-photon bound states in a quantum nonlinear medium where the interactions between photons are mediated by atomic Rydberg states. Photon correlation and conditional phase measurements reveal the distinct bunching and phase features associated with three-photon and two-photon bound states. Such photonic trimers and dimers possess shape-preserving wavefunctions that depend on the constituent photon number. The observed bunching and strongly nonlinear optical phase are quantitatively described by an effective field theory (EFT) of Rydberg-induced photon-photon interactions, consistent with the presence of a substantial effective three-body force between the photons. These observations demonstrate the ability to realize and control strongly interacting quantum many-body states of light.


https://arxiv.org/abs/1605.05651
Effective Field Theory for Rydberg Polaritons
M. J. Gullans, J. D. Thompson, Y. Wang, Q.-Y. Liang, V. Vuletic, M. D. Lukin, A. V. Gorshkov
(Submitted on 18 May 2016 (v1), last revised 15 Aug 2016 (this version, v2))
We develop an effective field theory (EFT) to describe the few- and many-body propagation of one dimensional Rydberg polaritons. We show that the photonic transmission through the Rydberg medium can be found by mapping the propagation problem to a non-equilibrium quench, where the role of time and space are reversed. We include effective range corrections in the EFT and show that they dominate the dynamics near scattering resonances in the presence of deep bound states. Finally, we show how the long-range nature of the Rydberg-Rydberg interactions induces strong effective N-body interactions between Rydberg polaritons. These results pave the way towards studying non-perturbative effects in quantum field theories using Rydberg polaritons.

Der Vollständigkeit halber möchte ich noch darauf hinweisen, dass scinexx auch immer ein Querverweis auf den Original(?)Artikel vorhanden ist.

http://science.sciencemag.org/content/359/6377/783
Mit freundlichen Grüßen

Frank

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von positronium » 16. Feb 2018, 13:30

Kann man denn da wirklich von einem "three-photon bound state" schreiben? Ich stelle mir das eher so vor, dass die drei Photonen durch das Passieren von einem Nukleon/drei Quarks derart angeregt wurden, dass sie weiterhin dazu neigen, die Quarkfelder anzuregen, und die WW tatsächlich über diese teils angeregten Quark- und Gluonfelder läuft. Natürlich könnte es dabei nie zu einer so starken Anregung kommen, dass Quarks messbar werden, sondern dass die Messung das System in einen Zustand mit Photonen bringt - dann ist der "Spuk" vorbei.

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von tomS » 16. Feb 2018, 14:35

Warum denkst du, dass das irgendwas mit Quarks zu tun hat?
Gruß
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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von positronium » 16. Feb 2018, 14:41

tomS hat geschrieben:
16. Feb 2018, 14:35
Warum denkst du, dass das irgendwas mit Quarks zu tun hat?
Wegen dem Zitat "Das bedeutet, dass die Photonen in diesen Dreiergruppen nicht nur jeweils einzeln mit einem zweiten interagieren, sondern dass sie alle drei miteinander wechselwirken" im Artikel http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-22 ... 02-16.html. Da brauchen sich offenbar entweder zwei oder drei Photonen um eine Gruppe zu bilden. Vielleicht interpretiere ich das aber falsch...

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von tomS » 16. Feb 2018, 14:44

Ja, aber nur weil es drei sind, hat das noch nichts mit Quarks zu tun :-)
Gruß
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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von positronium » 16. Feb 2018, 15:35

tomS hat geschrieben:
16. Feb 2018, 14:44
Ja, aber nur weil es drei sind, hat das noch nichts mit Quarks zu tun :-)
Das ist natürlich richtig, aber ich verstehe das Zitat in erster Linie auf die Wechselwirkung und nicht auf die Zahl bezogen, und im Rahmen des Standardmodells gibt es sonst keine Wechselwirkung, welche zwischen drei Teilchen wirkt. Und die Autoren bewegen sich wahrscheinlich im Rahmen des Standardmodells - sonst wäre das bestimmt hervorgehoben.
Die schreiben ja gerade von einem "bound state". Dabei kann es meiner Vermutung nach nicht nur darum gehen, dass gerade drei Photonen in die gleiche Richtung mit Phasenbeziehung oder was auch immer gelenkt werden, sondern es muss mehr los sein. Ich habe die Originalarbeit nicht zu lesen versucht, aber denkst Du oder verstehst Du diese so, als würde das allein über das Photonfeld funktionieren? Da gibt es doch keine Selbstwechselwirkung; von daher muss das doch über die Anregung anderer Felder geschehen...

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von tomS » 16. Feb 2018, 16:14

positronium hat geschrieben:
16. Feb 2018, 15:35
... ich verstehe das Zitat in erster Linie auf die Wechselwirkung und nicht auf die Zahl bezogen, und im Rahmen des Standardmodells gibt es sonst keine Wechselwirkung, welche zwischen drei Teilchen wirkt.
Aber natürlich, jede Wechselwirkung kann effektiv zwischen mehreren Teilchen wirken. Es geht ja nicht um die fundamentale WW - auch da gibt es keine fundamentale 3-Quark-WW - sondern um eine effektive WW.
positronium hat geschrieben:
16. Feb 2018, 15:35
Die schreiben ja gerade von einem "bound state". Dabei kann es meiner Vermutung nach nicht nur darum gehen, dass gerade drei Photonen in die gleiche Richtung mit Phasenbeziehung oder was auch immer gelenkt werden, sondern es muss mehr los sein.
Zustimmung.
positronium hat geschrieben:
16. Feb 2018, 15:35
Ich habe die Originalarbeit nicht zu lesen versucht, aber denkst Du oder verstehst Du diese so, als würde das allein über das Photonfeld funktionieren? Da gibt es doch keine Selbstwechselwirkung; von daher muss das doch über die Anregung anderer Felder geschehen...
Ja, ich denke sie funktioniert über die Wechselwirkung mit den Atomen.

Betrachte als Beispiel die Cooper-Paare in einem Supraleiter. Fundamental hast du Elektronen und Atomrümpfe. Letztere induzieren mittelbar durch Gitterschwingungen (Phononen) eine leicht anziehende WW auf k=0 und s=0 Elektronenpaare. Es resultieren WW-näherungsweise Cooper-Paare. Ich gehe davon aus, dass der effektive 3-Photon-Zustand in ähnlicher Form zustandekommt.

Auch ich habe die den zweiten Artikel nicht gelesen; im ersten steht jedoch ein Hinweis: "
... we apply an effective field theory which describes the low-energy scattering of Rydberg polaritons ... a one-dimensional slow-light Hamiltonian density with a contact interaction
D.h. eine effektive Theorie für "langsame Photonen" durch Ausintegrieren der "fundamentalen Photonen" sowie der Polaritonen; Rydberg-Polaritonen kenne ich nicht, aber Polaritonen sind - wie Phononen - Quasiteilchen, erzeugt durch nicht-störungstheorietische Effekte der Kopplung eines elektromagnetischen Feldes mit Phononen oder Exzitonen.

Aus dem Abstract zu https://arxiv.org/abs/1605.05651
We develop an effective field theory to describe the few- and many-body propagation of one-dimensional Rydberg polaritons ... Finally, we show how the long-range nature of the Rydberg-Rydberg interactions induces strong effective N-body interactions between Rydberg polaritons.
Gruß
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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von positronium » 16. Feb 2018, 16:46

Ich verstehe, was Du sagen willst, aber wenn Du Recht hast, dann ist der Artikel http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-22 ... 02-16.html unsauber geschrieben. Dort steht nämlich (von mir unterstrichen):
"Das Spannende daran ist, dass die Photonen sich an das, was in der Wolke passiert, offenbar 'erinnern'", sagt Vuletics Kollege Sergio Cantu. Dadurch bleiben die Lichtteilchen auch nach Verlassen der Atomwolke miteinander verknüpft. "Die photonischen Dimere und Trimere besitzen Wellenfunktionen, die von der Zahl der gebundenen Photonen abhängig sind und ihre Form behalten", so die Physiker.
Demnach würde der Bindungszustand auch nach Verlassen der Wolke weiter bestehen, also zu einem Zeitpunkt, an dem die Rydberg-Polaritonen keine Gültigkeit mehr besitzen. Das scheint ja gerade das interessante an den Ergebnissen zu sein.

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von tomS » 27. Feb 2018, 23:24

positronium hat geschrieben:
16. Feb 2018, 16:46
Ich verstehe, was Du sagen willst, aber wenn Du Recht hast, dann ist der Artikel http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-22 ... 02-16.html unsauber geschrieben.
Entweder ist der Artikel ist teilw. nicht unsauber geschrieben, oder ich verstehe etwas grundsätzliches nicht.

Ich finde folgende Aussagen im Internet, teilweise sind das Zitate der Autoren
Using time-correlated photon pairs, we show a reduction in the group velocity of photons in both a Bessel beam and photons in a focused Gaussian beam. In both cases, the delay is several micrometers over a propagation distance of ~1 meter. Our work highlights that, even in free space, the invariance of the speed of light only applies to plane waves.
What's neat about this is, when photons go through the medium, anything that happens in the medium, they 'remember' when they get out ...
Das Spannende daran ist, dass die Photonen sich an das, was in der Wolke passiert, offenbar 'erinnern'. Dadurch bleiben die Lichtteilchen auch nach Verlassen der Atomwolke miteinander verknüpft. Die photonischen Dimere und Trimere besitzen Wellenfunktionen, die von der Zahl der gebundenen Photonen abhängig sind und ihre Form behalten ...

Ich finde im Original jedoch nichts zu der Aussage, dass das auch nach Verlassen des Mediums v < c gilt. Oder ich verstehe es nicht richtig.

Im Artikel steht
... because dispersion outside of the atomic medium is negligible, any amplitude and phase features formed inside the nonlinear medium are preserved outside, and can be detected in the form of photon number and phase correlations.
Das ist mir alles klar.

Im Vakuum liegt kein Bindungszustand mehr vor, allerdings wird das durch die effektive Bindung im nicht-linearen Medium geformte Wellenpaket diese o.g. Eigenschaften behalten.

Allerdings steht da zunächst nichts von einer reduzierten Gruppengeschwindigkeit.

Für die Gruppengeschwindigkeit v eines Wellenpaketes der masselosen Klein-Gordon-Gleichung kann

v < c

gelten.

Aber für ein masseloses Wellenpaket minimaler Orts-Geschwindigkeits-Unschärfe gilt dennoch

v² = c²

Was ich also im Internet lese - siehe die Zitate oben - jedoch aus dem Artikel heraus nicht verstehe, ist die Aussage, dass für die Gruppengeschwindigkeit auch nach dem Verlassen v < c gelten soll.
Gruß
Tom

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von positronium » 1. Mär 2018, 22:20

Den Originalartikel konnte ich leider nicht finden, habe aber das was ich finden konnte, nochmals genau gelesen.
Mein Eindruck ist, dass das Passieren des Gases die Form der Photonenwellenfunktionen derart modifiziert, dass es zu keiner Dispersion mehr kommt, das aber zur Folge hat, dass für das Wellenpaket v < c gilt.
Sollte das so sein, wäre es aber eine arge Übertreibung, von einem "bound state" zu schreiben; die Photonen bleiben dann eben beisammen, aber nicht gebunden.

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von tomS » 1. Mär 2018, 23:24

positronium hat geschrieben:
1. Mär 2018, 22:20
Den Originalartikel konnte ich leider nicht finden, habe aber das was ich finden konnte, nochmals genau gelesen.
Das ist der oben verlinkte Beitrag

https://arxiv.org/abs/1709.01478
Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium
Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D. Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic
(Submitted on 5 Sep 2017 (v1), last revised 10 Nov 2017 (this version, v2))
Bound states of massive particles, such as nuclei, atoms or molecules, constitute the bulk of the visible world around us. In contrast, photons typically only interact weakly. We report the observation of traveling three-photon bound states in a quantum nonlinear medium where the interactions between photons are mediated by atomic Rydberg states. Photon correlation and conditional phase measurements reveal the distinct bunching and phase features associated with three-photon and two-photon bound states. Such photonic trimers and dimers possess shape-preserving wavefunctions that depend on the constituent photon number. The observed bunching and strongly nonlinear optical phase are quantitatively described by an effective field theory (EFT) of Rydberg-induced photon-photon interactions, consistent with the presence of a substantial effective three-body force between the photons. These observations demonstrate the ability to realize and control strongly interacting quantum many-body states of light.

positronium hat geschrieben:
1. Mär 2018, 22:20
Mein Eindruck ist, dass das Passieren des Gases die Form der Photonenwellenfunktionen derart modifiziert, dass es zu keiner Dispersion mehr kommt, das aber zur Folge hat, dass für das Wellenpaket v < c gilt.
Das Wellenpaket hat im Medium eine nichtlineare Dispersion, außerhalb nicht. Das resultiert aus der linearen Dispersionsrelation E = p für Photonen im Vakuum. D.h. rechtslaufende Wellen bewegen sich unabhängig von ihrer Frequenz gleich schnell, es tritt keine Verbreiterung ein. Das schreiben die Autoren auch genauso. Sie messen das Wellenpaket im Vakuum; doch gerade weil keine Dispersion vorliegt, hat das Wellenpaket seine Form behalten und sie dürfen aus der Form im Vakuum auf das ursprüngliche Wellenpaket im Medium zurückschließen.
positronium hat geschrieben:
1. Mär 2018, 22:20
Sollte das so sein, wäre es aber eine arge Übertreibung, von einem "bound state" zu schreiben; die Photonen bleiben dann eben beisammen, aber nicht gebunden.
Ich finde im Originalartikel weder einen Hinweis auf einen "bound state" im Vakuum, noch auf Abweichungen von v² = c² im Vakuum. Im Medium liegt freilich ein effektiver, gebundener Photon-Triplet+Materieanregung-Zustand vor; im Vakuum jedoch nur ein Wellenpaket, das dessen Form konserviert hat.

Evtl. übersehe ich aber noch etwas.
Gruß
Tom

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von positronium » 2. Mär 2018, 15:33

tomS hat geschrieben:
1. Mär 2018, 23:24
positronium hat geschrieben:
1. Mär 2018, 22:20
Den Originalartikel konnte ich leider nicht finden, habe aber das was ich finden konnte, nochmals genau gelesen.
Das ist der oben verlinkte Beitrag

https://arxiv.org/abs/1709.01478
Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium
Danke, das habe ich irgendwie übersehen. :oops:
Die erste Hälfte des Artikels habe ich jetzt gelesen.
tomS hat geschrieben:
1. Mär 2018, 23:24
positronium hat geschrieben:
1. Mär 2018, 22:20
Mein Eindruck ist, dass das Passieren des Gases die Form der Photonenwellenfunktionen derart modifiziert, dass es zu keiner Dispersion mehr kommt, das aber zur Folge hat, dass für das Wellenpaket v < c gilt.
Das Wellenpaket hat im Medium eine nichtlineare Dispersion, außerhalb nicht. Das resultiert aus der linearen Dispersionsrelation E = p für Photonen im Vakuum. D.h. rechtslaufende Wellen bewegen sich unabhängig von ihrer Frequenz gleich schnell, es tritt keine Verbreiterung ein.
Ja, die Autoren schreiben, dass das näherungsweise so ist - vermutlich, weil sie kein 100%iges Vakuum haben.
tomS hat geschrieben:
1. Mär 2018, 23:24
positronium hat geschrieben:
1. Mär 2018, 22:20
Sollte das so sein, wäre es aber eine arge Übertreibung, von einem "bound state" zu schreiben; die Photonen bleiben dann eben beisammen, aber nicht gebunden.
Ich finde im Originalartikel weder einen Hinweis auf einen "bound state" im Vakuum, noch auf Abweichungen von v² = c² im Vakuum. Im Medium liegt freilich ein effektiver, gebundener Photon-Triplet+Materieanregung-Zustand vor; im Vakuum jedoch nur ein Wellenpaket, das dessen Form konserviert hat.

Evtl. übersehe ich aber noch etwas.
Nein, ich denke, Du übersiehst nichts.
Ich verstehe die Arbeit so, dass es hier ausschließlich darum geht, dass das Medium durch zwei Photonen innerhalb eines "blockade radius" gesättigt ist. Kommt ein drittes hinzu, wird dieses angesichts der Sättigung durch eine effektive Kraft abgestoßen, was letztlich zu einer paarweisen Anziehung, und Abstoßung in einem Dreierkonstrukt führt.
Daraus ergibt sich eine Korrelation der Wellenfunktionen der drei Photonen, die nach Verlassen des Gases bestehen bleibt.
In dem Artikel sehe ich jedoch nichts, was eine Bindung (oder solche Berechnung) im Vakuum betrifft. Vielleicht steht in der Veröffentlichung in Science mehr als in der auf arXiv... Ansonsten wurden die Autoren mit "...even in free space, the invariance of the speed of light only applies to plane waves." vermutlich falsch zitiert.

Ich weiß nicht, ob die Lösung des Problems per EFT einen Rückschluss auf die physikalischen Grundlagen zulässt. Aber das erinnert mich irgendwie an die Austauschwechselwirkung von Fermionen.

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Re: Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Beitrag von tomS » 2. Mär 2018, 16:08

Ich finde es nur erstaunlich, dass die Autoren hier wörtlich zitiert werden.

Wenn ich nichts übersehe, dann verstehe ich evtl. etwas falsch oder gar nicht - soll vorkommen
Gruß
Tom

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