Wizualizacja artysty lasera uderzającego w atomy we wnęce optycznej. Naukowcy odkryli nowe zjawisko zwane „zbiorowo indukowaną przezroczystością” (CIT), w którym grupy atomów przestają odbijać światło o określonych częstotliwościach. Zespół odkrył ten efekt, zamykając atomy iterbu we wnęce optycznej i wystawiając je na działanie światła laserowego. Przy pewnych częstotliwościach pojawiało się przezroczyste okienko, w którym światło bez przeszkód przechodziło przez wnękę. Źródło: Ella Maru Studio

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

Naukowcy z Caltech odkryli nowe zjawisko, „zbiorowo indukowaną przezroczystość” (CIT), w którym światło przechodzi bez przeszkód przez grupy atomów przy określonych częstotliwościach. To odkrycie może potencjalnie ulepszyć systemy pamięci kwantowej.

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

CIT został odkryty przez zamknięcie atomów iterbu we wnęce optycznej – w istocie maleńkiej skrzynce na światło – i wysadzeniu ich laserem. Chociaż światło lasera będzie odbijać się od atomów do pewnego momentu, po zmianie częstotliwości światła pojawia się okno przezroczystości, w którym światło po prostu przechodzi przez wnękę bez przeszkód.

„Nigdy nie wiedzieliśmy, że takie okno przezroczystości istnieje” — mówi Andrei Faraon (BS ’04) z Caltech, profesor fizyki stosowanej i elektrotechniki William L. Valentine oraz współautor artykułu na temat odkrycia, który został opublikowany 26 kwietnia w Dziennik Natura. „Nasze badania stały się przede wszystkim podróżą, aby dowiedzieć się, dlaczego”.

Analiza przezroczystości okienka wskazuje, że jest to efekt interakcji we wnęce między grupami atomów i światłem. Zjawisko to przypomina destrukcyjną interferencję, w której fale z dwóch lub więcej źródeł mogą się wzajemnie znosić. Grupy atomów nieustannie pochłaniają i ponownie emitują światło, co generalnie skutkuje odbiciem światła lasera. Jednak przy częstotliwości CIT istnieje równowaga tworzona przez reemitowane światło z każdego z atomów w grupie, co skutkuje spadkiem odbicia.

„Zespół atomów silnie sprzężonych z tym samym polem optycznym może prowadzić do nieoczekiwanych rezultatów” – mówi współautor, Mi Lei, absolwent Caltech.

Rezonator optyczny, który ma zaledwie 20 mikronów długości i zawiera elementy mniejsze niż 1 mikron, został wyprodukowany w Kavli Nanoscience Institute w Caltech.

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

Poza zjawiskiem przezroczystości naukowcy zaobserwowali również, że zbiór atomów może pochłaniać i emitować światło lasera znacznie szybciej lub znacznie wolniej w porównaniu z pojedynczym[{” 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.