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Neue Form von Licht: mit Masse?
 
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willyengland



Anmeldungsdatum: 01.05.2016
Beiträge: 310

Beitrag willyengland Verfasst am: 22. Feb 2018 12:39    Titel: Neue Form von Licht: mit Masse? Antworten mit Zitat

Ich dachte erst an eine Art Aprilscherz, aber das scheint echt zu sein:

Laserlicht wird durch ultrakalte Atome gesendet. Dabei bilden sich "Dimere" und "Trimere" aus Photonen, die sogar eine Masse haben, wenn ich das richtig verstehe.
Wer kennt sich aus?

https://phys.org/news/2018-02-newly-optical-state-enable-quantum.html

Originalartikel:
http://science.sciencemag.org/content/359/6377/783.full

_________________
Gruß Willy
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 2266

Beitrag ML Verfasst am: 24. Feb 2018 09:14    Titel: Re: Neue Form von Licht: mit Masse? Antworten mit Zitat

Hallo,

willyengland hat Folgendes geschrieben:
Dabei bilden sich "Dimere" und "Trimere" aus Photonen, die sogar eine Masse haben, wenn ich das richtig verstehe.
Wer kennt sich aus?
https://phys.org/news/2018-02-newly-optical-state-enable-quantum.html


vielleicht hilft zunächst eine Übersetzung des Abschnitts:

While photons normally have no mass and travel at 300,000 kilometers per second (the speed of light), the researchers found that the bound photons actually acquired a fraction of an electron's mass. These newly weighed-down light particles were also relatively sluggish, traveling about 100,000 times slower than normal noninteracting photons.
https://phys.org/news/2018-02-newly-optical-state-enable-quantum.html#jCp

"Obwohl Photonen normalerweise keine Masse haben und sich mit der Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/h fortbewegen, haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass sich die gebundenen Photonen tatsächlich einen Teil der Elektronenmasse angeeignet haben. Diese neuerlich "gewichtsbeschwerten" Lichtpartikel waren darüber hinaus ziemlich träge und bewegten sich etwa 100.000 mal langsamer als normale, nicht wechselwirkende Photonen."

Es geht hier also nicht um klassische Photonen, sondern um eine Wechselwirkung zwischen Photonen und Elektronen, wobei die Elektronen die Ruhemasse beisteuern.


Viele Grüße
Michael
DrStupid



Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 2815

Beitrag DrStupid Verfasst am: 24. Feb 2018 09:36    Titel: Antworten mit Zitat

Wenn sich Licht in einem Medium bewegt, dann ist es Ansichtssache, wo das Licht aufhört und das Medium anfängt. Das macht Aussagen über die Masse von Photonen in solchen Fällen ziemlich willkürlich. Im Vakuum sieht das anders aus:

http://science.sciencemag.org/content/347/6224/857
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 12697

Beitrag TomS Verfasst am: 24. Feb 2018 11:26    Titel: Antworten mit Zitat

DrStupid hat Folgendes geschrieben:
Wenn sich Licht in einem Medium bewegt, dann ist es Ansichtssache, wo das Licht aufhört und das Medium anfängt.

Man sollte korrekterweise von Quasiteilchen und deren Dispersionsrelation sprechen.

Hier 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.

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willyengland



Anmeldungsdatum: 01.05.2016
Beiträge: 310

Beitrag willyengland Verfasst am: 25. Feb 2018 12:45    Titel: Antworten mit Zitat

Aha! Vielen Dank!
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Gruß Willy
willyengland



Anmeldungsdatum: 01.05.2016
Beiträge: 310

Beitrag willyengland Verfasst am: 26. Feb 2018 20:19    Titel: Antworten mit Zitat

Noch mal eine Nachfrage:
Also irgendwie wechselwirken die Photonen mit den Atomen. Das kann ich ja verstehen, auch, dass es mal zwei und mal drei sind.
Aber wie kommt es, dass sie dann, wenn sie die Wolke verlassen haben, noch "zu dritt" sind? Wie muss ich mir das vorstellen? Wie wurde das festgestellt, dass es drei Photonen sind, hinter der Wolke? Flogen die einfach dicht hintereinander oder wie? Und hatten die dann immer noch Masse?

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Gruß Willy
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 12697

Beitrag TomS Verfasst am: 27. Feb 2018 21:30    Titel: Antworten mit Zitat

Ja, das ist mir noch nicht klar. Die folgenden Zitate finde ich in diversen Internetbeiträgen, teilweise gekennzeichnet als Zitate der Autoren:

Zitat:
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.


Zitat:
What's neat about this is, when photons go through the medium, anything that happens in the medium, they 'remember' when they get out ...


Zitat:
Das Spannende daran ist, dass die Photonen sich an das, was in der Wolke passiert, offenbar 'erinnern' ... Die photonischen Dimere und Trimere besitzen Wellenfunktionen, die von der Zahl der gebundenen Photonen abhängig sind und ihre Form behalten ...


Hab' ich das irgendwo übersehen?
Hat jemand Zugriff auf http://science.sciencemag.org/content/359/6377/783

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Zuletzt bearbeitet von TomS am 27. Feb 2018 22:26, insgesamt einmal bearbeitet
jh8979
Moderator


Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8064

Beitrag jh8979 Verfasst am: 27. Feb 2018 21:33    Titel: Antworten mit Zitat

TomS hat Folgendes geschrieben:

Hat jemand Zugriff auf http://science.sciencemag.org/content/359/6377/783

https://arxiv.org/pdf/1709.01478.pdf
?
TomS
Moderator


Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 12697

Beitrag TomS Verfasst am: 27. Feb 2018 21:53    Titel: Antworten mit Zitat

Ich finde im arxiv preprint nichts zu der Aussage, dass das auch nach Verlassen des Mediums gilt. Oder ich verstehe es nicht richtig.

Konkret: im Artikel steht

Zitat:
... 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. Ja, klar.

Allerdings steht da zunächst nichts von einer reduzierten Gruppengeschwindigkeit.

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



gelten.

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







M.W.n. stammt



nicht aus dem Zerfließen o.ä., sondern aus gleichzeitiger Propagation nach links und rechts, d.h. durch "Zerfallen" in zwei getrennt propagierende Wellenpakete.

Es gilt m.W.n. außerdem:



d.h. das Wellenpaket progaiert ohne Zerfließen mit Lichtgeschwindigkeit c.

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.

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