Der neu beobachtete Effekt macht die Atome für bestimmte Lichtfrequenzen transparent

Ein neu entdecktes Phänomen, das als kollektiv induzierte Transparenz (CIT) bezeichnet wird, bewirkt, dass Atomgruppen plötzlich aufhören, Licht bei bestimmten Frequenzen zu reflektieren.

CIT wurde entdeckt, indem Ytterbiumatome in einer Photokavität – im Wesentlichen einer kleinen Lichtbox – eingeschlossen und mit einem Laser gesprengt wurden. Obwohl das Laserlicht von den Atomen bis zu einem Punkt abprallt, erscheint beim Einstellen der Lichtfrequenz ein transparentes Fenster, in dem das Licht einfach ungehindert durch den Hohlraum fällt.

sagt Andrei Faraon (BS ’04) vom California Institute of Technology (BS ’04), William L. Valentine Professor für Angewandte Physik und Elektrotechnik und Mitautor eines Artikels über die Entdeckung, der am 26. April in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur. „Unsere Forschung wurde in erster Linie zu einer Reise, um herauszufinden, warum.“

Die Analyse der Fenstertransparenz zeigt, dass sie das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen Atomgruppen und Licht im Hohlraum ist. Dieses Phänomen ähnelt der destruktiven Interferenz, bei der sich Wellen von zwei oder mehr Quellen gegenseitig aufheben können. Atomcluster absorbieren ständig Licht und emittieren es wieder, was im Allgemeinen zu einer Reflexion von Laserlicht führt. Bei der CIT-Frequenz gibt es jedoch ein Gleichgewicht, das dadurch verursacht wird, dass das Licht von jedem Atom in einem Ensemble erneut emittiert wird, was zu einer Abnahme des Reflexionsvermögens führt.

„Eine Gruppe von Atomen, die stark an dasselbe optische Feld gekoppelt sind, kann zu unerwarteten Ergebnissen führen“, sagt Co-Hauptautorin Mei Li, Doktorandin am Caltech.

Der optische Resonator, der nur 20 μm lang ist und Merkmale kleiner als 1 μm aufweist, wurde am Kavli Institute for Nanoscience am Caltech hergestellt.

„Durch traditionelle quantenoptische Messtechniken haben wir herausgefunden, dass unser System einen unerforschten Bereich erreicht hat, der neue Physik offenbart“, sagt Doktorand Rikuto Fukumori, Co-Hauptautor der Arbeit.

Neben dem Phänomen der Transparenz stellen die Forscher auch fest, dass eine Gruppe von Atomen Licht von einem Laser entweder viel schneller oder viel langsamer absorbieren und emittieren kann als ein einzelnes Atom, je nach Intensität des Lasers. Diese als Superstrahlung und Subduktion bezeichneten Prozesse und ihre zugrunde liegende Physik sind aufgrund der großen Anzahl interagierender Quantenteilchen noch immer kaum verstanden.

„Wir waren in der Lage, die quantenmechanischen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie im Nanomaßstab zu beobachten und zu kontrollieren“, sagt Co-Autor Joonhee Choi, ein ehemaliger Postdoktorand am Caltech und jetzt Assistenzprofessor in Stanford.

Obwohl die Forschung in erster Linie grundlegend ist und unser Verständnis der mysteriösen Welt der Quanteneffekte erweitert, hat diese Entdeckung das Potenzial, eines Tages dazu beizutragen, den Weg für effizientere Quantenspeicher zu ebnen, bei denen Informationen in einer Anordnung hochgekoppelter Atome gespeichert werden. Farron arbeitete auch daran, Quantenspeicher zu schaffen, indem er die Wechselwirkungen mehrerer Vanadiumatome manipulierte.

„Neben Erinnerungen liefern diese experimentellen Systeme wichtige Einblicke in die Entwicklung zukünftiger Kommunikation zwischen Quantencomputern“, sagt Manuel Endres, Professor für Physik und Rosenberg-Stipendiat, ein Co-Autor der Studie.