Через комбінаційне розсіювання фотони можуть формувати пари, дуже схожі на куперівські пари електронів у надпровідниках. Бразильські вчені передбачили і експериментально досліджували цей ефект для восьми прозорих середовищ. Їх стаття прийнята до публікації в, препринт роботи викладений на сайті.
Низькотемпáну надпровідність можна пояснити за допомогою теорії БКШ, в основі якої лежить поняття куперівської пари. Куперівська пара - це два електрони з протилежно спрямованими спинами та імпульсами, пов'язані через обмін віртуальними фононами (квазічастинками, що відповідають коливанням решітки) з іонами кристалічної решітки, що дозволяє подолати кулонівське відштовхування. Детальніше про фонони та утворення куперівських пар можна прочитати в нашому матеріалі «Зоопарк квазічастинок».
Коли світло поширюється в прозорому середовищі, воно теж впливає на коливання складових його частинок, але не за допомогою фононів, а за допомогою комбінаційного (неспругого) розсіювання. Наприклад, у результаті процесу Стокса фотон втрачає частину своєї енергії, випускаючи деяку квазічастинку, і зміщується в бік червоного спектра. В результаті зворотного процесу (анти-Стокса) фотон поглинає таку квазічастинку і зміщується в бік синього спектру. В принципі, ці два процеси можуть поєднатися, і фотони обміняються віртуальною квазічастинкою, що буде відповідати деякій ефективній взаємодії, аналогічній взаємодії в куперівській парі. Це означає, що в середовищах з великими енергіями коливань складових їх частинок можуть виникати фотонні аналоги куперівських пар.
У цій статті фізики розробили теоретичну модель явища. Для цього вони заново вивели гамільтоніан теорії БКШ, виходячи з того, що взаємодіючі частинки є бозонами, а не ферміонами. Виявилося, що в розробленій ними теорії існує енергетичний зазор, аналогічний зазору в теорії БКШ, і він залежить від інтенсивності лазера та енергії віртуальних частинок. Коли енергія віртуальних частинок менша, ніж енергія фотонів, енергія взаємодії фотонів виявляється меншою нуля, тому їм вигідно притягуватися і утворювати пару.
Освіту фотонних пар можна помітити в експерименті, оскільки через нього має змінюватися кількість фотонів, що беруть участь у процесах Стокса і анти-Стокса. Для цього потрібно подивитися, як скорельовані числа тих, хто бере участь у таких процесах фотонів. Згідно з теоретичними прогнозами авторів статті, при утворенні пов'язаних пар фотонів максимум функції кореляції повинен зміщуватися в бік менших довжин хвиль, причому ефект буде помітний тим краще, чим більше пар утворюється.
І дійсно, для фотонів, що поширюються в дистильованій воді, автори статті експериментально виявили такий зсув. Для залежності кореляційної функції, отриманої ними за допомогою лазерів, що випромінюють з потужністю 20 і 40 міліват, пік змістився з 3500 сантиметрів на 2400 сантиметрів. Це зміщення якраз відповідає діапазону, в якому коливання молекули води збудити складніше, тобто в якому пари пов'язаних фотонів утворюються найпростіше.
Крім того, вчені експериментально перевірили передбачений ними ефект для ще семи прозорих середовищ, серед яких були не тільки рідини, а й кристалічні тіла. У всіх цих середовищах спостерігалися схожі закономірності, але іноді менш яскраво виражені.
Поки не дуже зрозуміло, які практичні програми може мати відкритий авторами статті ефект. Можливо, запропонованим ними способом вдасться пояснити ефект погашення дисперсії (dispersion cancellation) або зміну прозорості деяких середовищ при освітленні лазером.
Раніше ми писали про те, як вчені отримали куперівські пари електронів, не створюючи в провіднику надпровідності самої по собі. Також іншим фізикам вдалося побачити трипліткові куперівські пари на кордоні надпровідника і ферромагнетика.