Atomy stają się przezroczyste dla pewnych częstotliwości światła

Artystyczna koncepcja atomów uderzających laserem we wnękę optyczną. Naukowcy odkryli nowe zjawisko zwane „zbiorowo indukowaną przezroczystością” (CIT), w którym grupy atomów przestają odbijać światło przy określonych częstotliwościach. Zespół odkrył ten efekt poprzez uwięzienie atomów iterbu we wnęce optycznej i wystawienie ich na działanie światła laserowego. Przy pewnych częstotliwościach pojawiało się przezroczyste okno, przez które światło bez przeszkód omijało wnękę. Źródło: Ella Maru Studio

Nowo zaobserwowany efekt sprawia, że ​​atomy są przezroczyste dla pewnych częstotliwości światła

Naukowcy z California Institute of Technology odkryli nowe zjawisko, „przezroczystość indukowaną kolektywnie” (CIT), w której światło przechodzi bez przeszkód przez grupy atomów przy określonych częstotliwościach. To odkrycie może doprowadzić do ulepszeń systemów pamięci kwantowej.

Nowo odkryte zjawisko zwane kolektywnie indukowaną przezroczystością (CIT) powoduje, że grupy atomów nagle przestają odbijać światło o określonych częstotliwościach.

CIT został odkryty przez zamknięcie atomów iterbu w fotownęce – zasadniczo małym pudełku światła – i wysadzeniu ich laserem. Chociaż światło lasera odbija się od atomów do pewnego punktu, po dostrojeniu częstotliwości światła pojawia się przezroczyste okienko, w którym światło po prostu przechodzi przez wnękę bez przeszkód.

Andrei Faraon z California Institute of Technology (BS ’04) i William L. Profesor Fizyki Stosowanej i Elektrotechniki mówi Journal Natura. „Nasze badania w zasadzie stały się podróżą, aby dowiedzieć się, dlaczego”.

Analiza przezroczystości okna wskazuje, że jest ona wynikiem interakcji we wnęce między grupami atomów i światłem. Zjawisko to jest podobne do destrukcyjnej interferencji, w której fale z dwóch lub więcej źródeł mogą się wzajemnie znosić. Skupiska atomów nieustannie pochłaniają i ponownie emitują światło, co generalnie skutkuje odbiciem światła laserowego. Jednak przy częstotliwości CIT istnieje równowaga spowodowana reemitacją światła z każdego atomu w zespole, co prowadzi do zmniejszenia współczynnika odbicia.

„Grupa atomów, które są silnie sprzężone z tym samym polem optycznym, może prowadzić do nieoczekiwanych rezultatów” – mówi współautorka Mei Li, absolwentka Caltech.

Rezonator optyczny, który ma tylko 20 μm długości i zawiera cechy mniejsze niż 1 μm, został wyprodukowany w Kavli Institute for Nanoscience w Caltech.

„Dzięki tradycyjnym technikom pomiarowym optyki kwantowej odkryliśmy, że nasz system osiągnął niezbadany reżim, ujawniając nową fizykę” – mówi doktorant Rikuto Fukumori, współautor artykułu.

Oprócz zjawiska przezroczystości naukowcy zauważają również, że grupa atomów może absorbować i emitować światło z lasera znacznie szybciej lub znacznie wolniej niż samodzielnie.[{” attribute=””>atom depending on the intensity of the laser. These processes, called superradiance and subradiance, and their underlying physics are still poorly understood because of the large number of interacting quantum particles.

“We were able to monitor and control quantum mechanical light–matter interactions at nanoscale,” says co-corresponding author Joonhee Choi, a former postdoctoral scholar at Caltech who is now an assistant professor at Stanford University.

Though the research is primarily fundamental and expands our understanding of the mysterious world of quantum effects, this discovery has the potential to one day help pave the way to more efficient quantum memories in which information is stored in an ensemble of strongly coupled atoms. Faraon has also worked on creating quantum storage by manipulating the interactions of multiple vanadium atoms.

“Besides memories, these experimental systems provide important insight about developing future connections between quantum computers,” says Manuel Endres, professor of physics and Rosenberg Scholar, who is a co-author of the study.

Reference: “Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters” by Mi Lei, Rikuto Fukumori, Jake Rochman, Bihui Zhu, Manuel Endres, Joonhee Choi and Andrei Faraon, 26 April 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05884-1

Coauthors include Bihui Zhu of the University of Oklahoma and Jake Rochman (MS ’19, PhD ’22). This research was funded by the Department of Energy, the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, and the Office of Naval Research.