Neu beobachteter Effekt macht Atome für bestimmte Lichtfrequenzen transparent

Ein neu entdecktes Phänomen namens „kollektiv induzierte Transparenz“ (CIT) bewirkt, dass Atomgruppen abrupt aufhören, Licht bei bestimmten Frequenzen zu reflektieren.

CIT wurde entdeckt, indem Ytterbiumatome in einen optischen Hohlraum – im Wesentlichen ein winziges Kästchen für Licht – eingeschlossen und mit einem Laser gesprengt wurden. Obwohl das Licht des Lasers bis zu einem gewissen Punkt von den Atomen abprallt, erscheint bei der Einstellung der Lichtfrequenz ein transparentes Fenster, in dem das Licht einfach ungehindert durch die Kavität geht.

“Wir wussten nie, dass dieses Transparenzfenster existiert”, sagt Andrei Faraon (BS ’04) vom Caltech, William L. Valentine Professor für Angewandte Physik und Elektrotechnik und Mitautor eines Artikels über die Entdeckung, der am 26. April veröffentlicht wurde das Tagebuch Natur. “Unsere Forschung ist in erster Linie zu einer Reise geworden, um herauszufinden, warum.”

Eine Analyse des Transparenzfensters weist darauf hin, dass es 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. Die Atomgruppen absorbieren ständig Licht und geben es wieder ab, was im Allgemeinen zu einer Reflexion des Laserlichts führt. Bei der CIT-Frequenz gibt es jedoch ein Gleichgewicht, das durch das reemittierte Licht von jedem der Atome in einer Gruppe erzeugt wird, was zu einem Abfall der Reflexion führt.

„Ein Ensemble von Atomen, die stark an dasselbe optische Feld gekoppelt sind, kann zu unerwarteten Ergebnissen führen“, sagt Co-Hauptautorin Mi Lei, eine Doktorandin am Caltech.

Der optische Resonator, der nur 20 Mikrometer lang ist und Merkmale von weniger als 1 Mikrometer aufweist, wurde am Kavli Nanoscience Institute am Caltech hergestellt.

„Durch herkömmliche quantenoptische Messtechniken fanden wir heraus, dass unser System einen unerforschten Bereich erreicht hatte, was neue Physik enthüllte“, sagt Doktorand Rikuto Fukumori, Co-Hauptautor der Arbeit.

Neben dem Transparenzphänomen beobachteten die Forscher auch, dass die Ansammlung von Atomen je nach Intensität des Lasers Licht vom Laser entweder viel schneller oder viel langsamer absorbieren und emittieren kann als ein einzelnes Atom. Diese als Superradiance und Subradiance bezeichneten Prozesse und ihre zugrunde liegende Physik sind aufgrund der großen Anzahl interagierender Quantenteilchen immer noch kaum verstanden.

„Wir waren in der Lage, quantenmechanische Licht-Materie-Wechselwirkungen im Nanomaßstab zu überwachen und zu kontrollieren“, sagt Co-Autor Joonhee Choi, ein ehemaliger Postdoktorand am Caltech, der jetzt Assistenzprofessor an der Stanford University ist.

Obwohl die Forschung in erster Linie grundlegend ist und unser Verständnis der mysteriösen Welt der Quanteneffekte erweitert, hat diese Entdeckung das Potenzial, eines Tages den Weg zu effizienteren Quantenspeichern zu ebnen, in denen Informationen in einem Ensemble stark gekoppelter Atome gespeichert werden. Faraon hat auch an der Schaffung von Quantenspeichern gearbeitet, indem er die Wechselwirkungen mehrerer Vanadiumatome manipulierte.

„Neben Erinnerungen liefern diese experimentellen Systeme wichtige Erkenntnisse über die Entwicklung zukünftiger Verbindungen zwischen Quantencomputern“, sagt Manuel Endres, Professor für Physik und Rosenberg-Stipendiat, der Mitautor der Studie ist.