Valon kuiskauksia atomien tasolta keräten

Purduen tutkijat etsivät uusia tapoja saada valo ja aine toimimaan yhdessä tehokkaammin. Tämä olisi ratkaiseva askel kohti tulevaisuuden kvantti-internetin rakentamista.

Professorien Chen-Lung Hungin ja Francis Robicheaux'n vetämä ryhmä on osoittanut, kuinka atomit voivat kollektiivisesti emittoida valoa nanofotoniseen mikrorengasresonaattoriin. Löydöt paljastavat myös, kuinka kvanttiemitterit ja fotonit voivat olla vuorovaikutuksessa nanorakenteissa, jotka on suunniteltu ohjaamaan valoa.

Heidän koelaitteistossaan oli vangittu lähes absoluuttisen kylmä cesiumatomien pilvi rengasmaisen piinitridistä valmistetun nanofotonisen aaltojohteen kylkeen. Resonaattori rajoittaa valoa pyöreään "kuiskausten galleriaan" samalla tavalla kuin ääni voi kulkea St. Paulin katedraalin kupolin kaarevia seiniä pitkin.

”Voimme kuvitella atomipilven toimivan yhdessä kuin kuoro yksittäisten laulajien sijaan”, Hung sanoi. ”Kun yksi atomi lähettää oman osuutensa varastoidusta fotonista, sen naapurit voivat liittyä mukaan vahvistaen tai vaimentaen tätä säteilyä riippuen siitä, miten ne ovat järjestäytyneet ja miten ne 'keskustelevat' keskenään yhteisen sähkömagneettisen kentän kautta.”

Järjestelmää huolellisesti virittämällä tutkimusryhmä havaitsi, että atomit vapauttivat kollektiivisesti fotoneja rengasresonaattoriin ja samalla vähensivät häviöitä ympäröivään tilaan. Heidän teoreettinen analyysinsä paljasti, että nämä atomit muodostavat niin sanottuja "selektiivisesti säteileviä" tiloja, jotka ovat kirkkaita yhteen suuntaan ja tummia toiseen, jolloin valo voi suuntautua tehokkaasti haluttua reittiä pitkin.

”Tutkimuksemme keskittyy kollektiiviseen emissioon, prosessiin jossa atomit lähettävät yksittäisen fotonin yhteisvoimin pikemminkin kuin kukin erikseen”, Robicheaux sanoi. ”Kun atomit ovat lähellä toisiaan, yhden atomin valo voi muuttaa muiden atomien reaktioita sähköisten dipoli-dipoli-vuorovaikutusten kautta.”

Järjestelmä voi osoittaa sekä voimistunutta että vaimennettua emissiokäyttäytymistä, jotka tunnetaan superradianssina ja aliradianssina. ”Kun atomit viritetään nopeasti, fotoneja vapautuu nopeammin kuin mikään yksittäinen atomi voisi emittoida”, Zhou sanoi. ”Jos ne viritetään hitaammin, emissio vapaaseen tilaan hidastuu huomattavasti.”

Kokeellinen alustamme esittelee siten ensimmäisen atomi-valo-rajapinnan, jolla on selektiivinen kollektiivinen emissiokäyttäytyminen ohjattuun moodiin ja ympäristöön.

Tämä valon ja aineen vuorovaikutuksen monimutkainen hallinta voisi auttaa rakentamaan tulevaisuuden kvanttiverkkoja. ”Tutkimuksemme on askel kohti parempien valon ja atomien rajapintojen luomista, jotka ovat välttämättömiä tulevaisuuden kvantti-internetin rakentamiselle”, Hung sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Uusia tapoja valon emittoimiseen

Yhdistää valon ja aineen parhaat puolet

Valo-aine hiukkasten hallinta huoneenlämpötilassa