Het nieuw waargenomen effect maakt de atomen transparant voor bepaalde lichtfrequenties

Een nieuw ontdekt fenomeen dat collectief geïnduceerde transparantie (CIT) wordt genoemd, zorgt ervoor dat groepen atomen plotseling stoppen met het reflecteren van licht op bepaalde frequenties.

CIT werd ontdekt door ytterbiumatomen op te sluiten in een fotoholte – in wezen een kleine doos met licht – en ze met een laser te vernietigen. Hoewel het laserlicht van de atomen naar een punt zal weerkaatsen, verschijnt er, naarmate de frequentie van het licht wordt afgestemd, een transparant venster waarin het licht eenvoudig ongehinderd door de holte gaat.

zegt Andrei Faraon (BS ’04) van het California Institute of Technology (BS ’04), William L. Valentine hoogleraar toegepaste natuurkunde en elektrotechniek en co-auteur van een artikel over de ontdekking dat op 26 april in het tijdschrift is gepubliceerd natuur. “Ons onderzoek werd in de eerste plaats een reis om erachter te komen waarom.”

Analyse van venstertransparantie geeft aan dat dit het resultaat is van interacties in de holte tussen groepen atomen en licht. Dit fenomeen is vergelijkbaar met destructieve interferentie, waarbij golven van twee of meer bronnen elkaar kunnen opheffen. Clusters van atomen absorberen constant licht en zenden het weer uit, wat over het algemeen resulteert in reflectie van laserlicht. Bij de CIT-frequentie is er echter een evenwicht dat wordt veroorzaakt doordat het licht opnieuw wordt uitgezonden door elk atoom in een ensemble, wat leidt tot een afname van de reflectie.

“Een groep atomen die sterk aan hetzelfde optische veld zijn gekoppeld, kan tot onverwachte resultaten leiden”, zegt mede-hoofdauteur Mei Li, een afgestudeerde student aan Caltech.

De optische resonator, die slechts 20 μm lang is en functies bevat die kleiner zijn dan 1 μm, werd vervaardigd in het Kavli Institute for Nanoscience in Caltech.

“Door traditionele kwantumoptica-meettechnieken hebben we ontdekt dat ons systeem een ​​onontgonnen regime heeft bereikt en nieuwe fysica heeft onthuld”, zegt afgestudeerde student Rikuto Fukumori, co-hoofdauteur van het artikel.

Naast het fenomeen van transparantie merken de onderzoekers ook op dat een groep atomen licht van een laser veel sneller of veel langzamer kan absorberen en uitzenden in vergelijking met een enkel atoom, afhankelijk van de intensiteit van de laser. Deze processen, superstraling en subductie genoemd, en hun onderliggende fysica worden nog steeds slecht begrepen vanwege het grote aantal op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes.

“We hebben de kwantummechanische interacties tussen licht en materie op nanoschaal kunnen observeren en beheersen”, zegt co-auteur Joonhee Choi, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en nu assistent-professor aan Stanford.

Hoewel het onderzoek in de eerste plaats fundamenteel is en ons begrip van de mysterieuze wereld van kwantumeffecten vergroot, heeft deze ontdekking het potentieel om op een dag de weg te effenen voor efficiëntere kwantumgeheugens waar informatie wordt opgeslagen in een reeks sterk gekoppelde atomen. Farron werkte ook aan het creëren van kwantumopslag door de interacties van meerdere vanadiumatomen te manipuleren.

“Naast herinneringen bieden deze experimentele systemen belangrijke inzichten in de ontwikkeling van toekomstige communicatie tussen kwantumcomputers”, zegt Manuel Endres, hoogleraar natuurkunde en Rosenberg Scholar, een co-auteur van het onderzoek.