Prawie sto lat po tym, jak włoski fizyk Ettore Majorana położył podwaliny pod odkrycie, że elektrony można podzielić na połówki, naukowcy przewidują, że rozszczepione fotony mogą również istnieć. Tak wynika z badań teoretycznych przeprowadzonych przez naukowców z Dartmouth i SUNY Polytechnic Institute.
Odkrycie, że elementy budulcowe światła mogą istnieć w niewyobrażalnej wcześniej formie podzielonej, pogłębia fundamentalne zrozumienie światła i jego zachowania. Teoretyczne odkrycie rozszczepionego fotonu znanego jako „bozon Majorany” zostało niedawno opublikowane w Physical Review Letters. To fundamentalna zmiana paradygmatu tego, jak rozumiemy światło.
Podobnie jak ciekła woda może zamienić się w lód lub parę w określonych warunkach, najwyraźniej światło może również istnieć w innej fazie: takiej, w której fotony pojawiają się jako dwie odrębne połówki. Woda pozostaje wodą bez względu na jej postać płynną lub stałą. Po prostu zachowuje się inaczej w zależności od warunków fizycznych. Być może trzeba będzie w ten sposób podejść do naszego rozumienia światła i przyjąć, że może ono istnieć w różnych fazach.
Połówki fotonów można postrzegać tak, jak rozumiemy różne strony monety. Dwie odrębne części tworzą całość, ale można je niezależnie opisać i funkcją one jako oddzielne jednostki. W tym ujęciu każdy foton można traktować jako sumę dwóch odrębnych połówek. Naukowcom właśnie udało się zidentyfikować warunki oddzielenia ich od siebie.
Odkrycie bozonu Majorany pokazuje, że fotony można „podzielić” na połówki. Źródło: Animacja LaDarius Dennison
Wyróżniamy dwa typy cząstek: fermiony i bozony. Fermiony, jak np. elektrony, mają tendencję do bycia samotnymi, unikając się nawzajem za wszelką cenę. Bozony, jak np. fotony, mają tendencję do łączenia się w grupy. W związku z tym naukowcy zakładali, że rozszczepienie bozonów będzie zadaniem nie do wykonania. Swoje rozważania skoncentrowali na badaniu zachowaniu się światła w szczególnym rodzaju wnęk. Te analizy pokazały, że na krawędziach takiej myślowej konstrukcji pojawiają się połówki cząstek. To doprowadziło ich do odkrycia bozonu Majorany.
To teoretyczne odkrycie opiera się na przewidywaniu z 1937 r. o istnieniu neutralnych, podobnych do elektronów cząstek, znanych jako fermiony Majorany. W 2001 roku badacze pokazali, w jaki sposób elektrony można przepołowić w niektórych nadprzewodnikach, jednak foton do tej pory pozostawał niepodzielny.
Według zespołu, który dokonał opisywanego tu odkrycia, bozony Majorany można postrzegać jako dalekich krewnych fermionów Majorany.
Trudno o dwie bardziej różne od siebie rzeczy w fizyce niż fermiony i bozony. Można powiedzieć, że cząstki te są zniekształconymi odbiciami siebie nawzajem, jak w krzywych lustrach w wesołym miasteczku. Właśnie dlatego istnienie fermionów Majorany było główną wskazówką, że bozon Majorany też istnieje, lecz ukrywa się w którymś ze zniekształconych obrazów.
Na zdjęciu: Krzywe lustro w parku Saint-Paul, niedaleko Beauvais (Oise, Francja). Źródło: Wikimedia Commons
Potwierdzenie istnienia bozonu Majorany nadal wymaga eksperymentu laboratoryjnego, w którym obserwuje się połówki fotonów. Zespół badaczy dyskutuje to w swojej pracy pokazując, że bozony Majorany są odporne na eksperymentalne niedoskonałości (czyli zestaw eksperymentalny nie musi być doskonały) i że można je zidentyfikować na podstawie odrębnych sygnatur (czyli nie będzie wątpliwości, z czym mamy do czynienia).
Chociaż trudno jest przewidzieć, w jaki sposób to odkrycie wykorzystać, można się spodziewać, że rozszczepione fotony znajdą zastosowanie w rozwoju nowych typów procesorów informacji kwantowej, czujników optycznych i wzmacniaczy światła. Badania te wskazują również drogę do odkrycia nowej, egzotycznej fazy materii i światła.
Więcej informacji: publikacja Flynn i in. “Topology by Dissipation: Majorana Bosons in Metastable Quadratic Markovian Dynamics” (2021), Physical Review Letters.
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Fotony o dwóch różnych energiach. Foton fioletowy niesie milion razy więcej energii niż foton żółty. Źródło: Wikimedia Commons
