Atomen worden transparant voor bepaalde frequenties van licht

Het nieuw waargenomen effect maakt de atomen transparant voor bepaalde lichtfrequenties

Onderzoekers van het California Institute of Technology hebben een nieuw fenomeen ontdekt, “collectief geïnduceerde transparantie” (CIT), waarbij licht bij bepaalde frequenties ongehinderd door groepen atomen gaat. Deze ontdekking kan leiden tot verbeteringen in kwantumgeheugensystemen.

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.

Andrei Faraon van het California Institute of Technology (BS ’04) en William L. hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Elektrotechniek vertelt het Journal natuur. “Ons onderzoek werd in feite 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 de groep atomen veel sneller of veel langzamer licht van de laser kan absorberen en uitzenden dan alleen.[{” 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.