Швейцарські фізики експериментально довели існування нової частинки - парного поляритону, тобто об'єднаного збудження поля і пари атомів. Для цього вони помістили фермі-газ у сильному режимі взаємодії в оптичний резонатор. Дослідження опубліковано в.
Якщо опромінювати атом інтенсивним світлом з частотою, що відповідає переходу з основного в збуджений стан, населеність його рівнів (тобто ймовірність зустріти атом на рівні) починає осцильовувати з частотою Рабі. Така ситуація описується за допомогою так званих «одягнених» станів, які включають в себе і стану поля, і атома. Виявилося, що такий підхід справедливий не тільки для атомів, молекул або квантових точок, але і взагалі для будь-яких систем, де є фотоіндукований перехід, навіть найбільш екзотичних.
Однією з таких систем виявився фермі-газ, що складається з взаємодіючих один з одним атомів. У ньому може виникати елементарне збудження, яке відбувається, коли два атоми переходять в особливий молекулярний стан, чия протяжність істотно нижча, ніж характерні відстані між вільними атомами в газі. Утворення такого стану за рахунок поглинання фотону називається фотоасоціацією і визначається за спектрами пропускання випромінювання через газ. При «одяганні» такого переходу світлом у спектрах також проявляють себе осциляції Рабі. Їх спостерігали всього пару разів, але лише для слабозабезпечуючих атомів в газі, для яких цей процес фотоасоціації залишається вкрай несуттєвим.
Фізики з Федеральної політехнічної школи Лозанни під керівництвом Жана-Філіпа Брантю (Jean-Philippe Brantut) змогли експериментально реалізувати сильний зв'язок поля з речовиною в умовах сильного зв'язку між атомами фермі-газу. В результаті вони зафіксували гібридні збудження, які змішують пару атомів і фотон в одну квазічастинку - парний поляритон. Парні поляритони об'єднують в собі швидку динаміку резонансної взаємодії, притаманну світлу, і універсальність парних кореляцій, характерну для атомів, що відображається в оптичних спектрах.
Для реалізації цього ефекту автори поміщали хмару ізотопів літію 6Li, що складається з приблизно 460000 атомів, в резонатор з високою добротністю в присутності магнітного поля. Фермі-газ був сильно охолоджений для досягнення виродженого стану, а наявність резонатора забезпечувала сильний зв'язок випромінювання з речовиною. Магнітне поле було підібрано таким чином, щоб при зміні відбудови зондуючого випромінювання фермі-газ відчував кросовер БКШ - БЕК, тобто послідовність станів газу, що відповідає різним режимам парних кореляцій атомів. Фізики побудували частотну діаграму, змінюючи відбудову частоти резонатора і частоти зондуючого випромінювання, і виявили кілька сигналів фотоасоціації у всіх режимах кросовера.
Досліджуючи кореляційну функцію парного поляритону, автори виявили, що її залежність від сили взаємодії носить універсальний характер. Іншими словами, зв'язок поля з переходами фотоасоціації залежить тільки від особливостей атомів в основному стані, а не від деталей переходу в молекулярний стан. Щоб перевірити цю гіпотезу, фізики виміряли залежність частоти Рабі від різних параметрів при різних режимах і для різних переходів. Результати вимірювання виявилися в згоді з обчисленнями, зробленими в рамках спрощених орбіталів, підтверджуючи гіпотезу.
Крім цього, вчені показали, що в такій системі можна виробляти динамічні вимірювання, відстежуючи властивості парних поляритонів з часом. Для цього авторам потрібно було навчитися розрізняти сигнал фотоасоціації від сигналу одиночних атомів. Це було зроблено за допомогою нахилу поляризації падаючого випромінювання по відношенню до магнітного поля. У цьому випадку різні сигнали виявлялися поляризаційно чутливими.
Фізики проводили 50 вимірювань з інтервалом в 10 мілісекунд. В результаті вони змогли виявити зменшення колективної частоти Рабі з часом, частково пов'язане з втратами атомів в самому газі. Разом з тим нормалізована частота Рабі, пов'язана з парними поляритонами, залишалася незмінною, що підтверджує, що багаточастичний характер взаємодії зберігається навіть після багаторазових вимірюваннях на одному і тому ж атомному ансамблі. Автори сподіваються, що отримані результати будуть корисні при дослідженні кореляцій старших порядків.
Вимірювання динамічних параметрів атомних і молекулярних систем останнім часом вийшло на новий рівень. Нещодавно ми розповідали, як когерентну динаміку молекули йоду виміряли з фемтосекундною роздільною здатністю.