Atomy se stávají průhlednými pro určité frekvence světla

Nově pozorovaný efekt činí atomy průhlednými pro určité frekvence světla

Vědci z Kalifornského technologického institutu objevili nový fenomén, „kolektivně indukovanou průhlednost“ (CIT), při níž světlo prochází nerušeně skupinami atomů na určitých frekvencích. Tento objev by mohl vést ke zlepšení systémů kvantové paměti.

Nově objevený jev zvaný kolektivně indukovaná průhlednost (CIT) způsobuje, že skupiny atomů náhle přestanou odrážet světlo na určitých frekvencích.

CIT byla objevena tak, že se atomy ytterbia uzavřely do fotodutiny – v podstatě malé krabičky světla – a odpálily je laserem. Přestože se laserové světlo odrazí od atomů do určitého bodu, jak se frekvence světla vyladí, objeví se průhledné okno, ve kterém světlo jednoduše prochází dutinou bez překážek.

Andrei Faraon z Kalifornského technologického institutu (BS ’04) a William L. profesor aplikované fyziky a elektrotechniky říkají časopisu Journal Příroda. „Náš výzkum se v podstatě stal cestou, abychom zjistili proč.“

Analýza průhlednosti okna ukazuje, že je výsledkem interakcí v dutině mezi skupinami atomů a světlem. Tento jev je podobný destruktivní interferenci, kdy se vlny ze dvou nebo více zdrojů mohou navzájem rušit. Shluky atomů neustále absorbují a znovu vyzařují světlo, což obecně vede k odrazu laserového světla. Při frekvenci CIT však existuje rovnováha způsobená opětovným vyzařováním světla z každého atomu v souboru, což vede ke snížení odrazivosti.

„Skupina atomů, které jsou pevně spojeny se stejným optickým polem, může vést k neočekávaným výsledkům,“ říká spoluautorka Mei Li, postgraduální studentka na Caltech.

Optický rezonátor, který je pouze 20 μm dlouhý a obsahuje prvky menší než 1 μm, byl vyroben v Kavli Institute for Nanoscience na Caltech.

„Prostřednictvím tradičních technik kvantové optiky jsme zjistili, že náš systém dosáhl neprozkoumaného režimu a odhaluje novou fyziku,“ říká postgraduální student Rikuto Fukumori, spoluautor článku.

Kromě jevu transparentnosti vědci také poznamenávají, že skupina atomů může absorbovat a emitovat světlo z laseru buď mnohem rychleji, nebo mnohem pomaleji než sama o sobě.[{“ 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.