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

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.

mówi Andrei Faraon (BS ’04) z California Institute of Technology (BS ’04), William L. Valentine profesor fizyki stosowanej i elektrotechniki oraz współautor artykułu o odkryciu opublikowanego 26 kwietnia w czasopiśmie Natura. „Nasze badania stały się przede wszystkim 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.

Poza zjawiskiem przezroczystości naukowcy zauważają również, że grupa atomów może absorbować i emitować światło lasera znacznie szybciej lub znacznie wolniej w porównaniu z pojedynczym atomem, w zależności od intensywności lasera. Te procesy, zwane nadpromieniowaniem i subdukcją, oraz leżąca u ich podstaw fizyka są nadal słabo poznane ze względu na dużą liczbę oddziałujących cząstek kwantowych.

„Byliśmy w stanie obserwować i kontrolować kwantowo-mechaniczne interakcje między światłem a materią w nanoskali” – mówi współautor Joonhee Choi, były pracownik naukowy ze stopniem doktora w Caltech, a obecnie adiunkt w Stanford.

Chociaż badania są przede wszystkim fundamentalne i poszerzają nasze zrozumienie tajemniczego świata efektów kwantowych, to odkrycie może pewnego dnia pomóc utorować drogę bardziej wydajnym pamięciom kwantowym, w których informacje są przechowywane w szeregu silnie sprzężonych atomów. Farron pracował również nad stworzeniem pamięci kwantowej poprzez manipulowanie interakcjami wielu atomów wanadu.

„Oprócz pamięci te systemy eksperymentalne dostarczają ważnych informacji na temat rozwoju przyszłej komunikacji między komputerami kwantowymi” – mówi Manuel Endres, profesor fizyki i Rosenberg Scholar, współautor badania.