Transparenzfenster erscheint in einem Ionenensemble – Physics World

Physiker in den USA haben einen laserbasierten „Schalter“ entdeckt, der eine Ionenprobe bei bestimmten Frequenzen vollständig transparent macht. Bei seiner Arbeit am California Institute of Technology (Caltech) stellte das Team fest, dass bei der Kopplung von Ytterbiumionen (Yb³⁺) an einen nanophotonischen Resonator anlegte und sie mit Laserlicht stark anregte, hörten die Ionen plötzlich auf, Licht bei Frequenzen zu reflektieren, die mit ihren Schwingungen verbunden waren. Dieser Effekt, den das Team „kollektiv induzierte Transparenz“ nennt, könnte in quantenoptischen Geräten Anwendung finden.

„Wir haben das Phänomen entdeckt, als wir versuchten, Techniken zu entwickeln, um Ytterbiumatome, die an einen optischen Hohlraum gekoppelt sind, mithilfe von Laserlicht zu steuern“, sagte Co-Teamleiter Andrei Faraon erzählt Physik-Welt. Der Hohlraum mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern enthält etwa eine Million Yb³⁺ Ionen. Als Gruppe schwingen diese Ionen in einer breiten Frequenzverteilung, aber Faraon erklärt, dass jedes einzelne Ion nur in einem sehr engen Frequenzbereich schwingt.

„Bei der Untersuchung mit einem Laser mit geringerer Leistung ist das System undurchsichtig“, fährt er fort. „Wenn man den Laser jedoch auf eine Frequenz genau in der Mitte der Frequenzverteilung abstimmt und seine Leistung erhöht, wird das System transparent.“

Ähnlich einer destruktiven Interferenz

Dieser selektive Transparenzeffekt hängt damit zusammen, wie die Ionen in Bezug auf den Laser schwingen, sagt Faraon. Er vergleicht es mit dem bekannten Phänomen der destruktiven Interferenz, bei der sich Wellen von zwei oder mehr Quellen gegenseitig aufheben. In dem in dieser Arbeit untersuchten System absorbieren die Ionengruppen kontinuierlich Licht und emittieren es wieder. Normalerweise führt dieser Reemissionsprozess dazu, dass Laserlicht reflektiert wird. Bei der kollektiv induzierten Transparenzfrequenz geschieht jedoch etwas ganz anderes: Das von jedem der Ionen einer Gruppe reemittierte Licht gleicht sich aus, was zu einer dramatischen Verringerung der Reflexion führt.

Atomhohlraum sieht zweimal dasselbe Photon

Neben der kollektiv induzierten Transparenz beobachteten Faraon und Kollegen auch, dass das Ensemble von Ionen je nach Intensität des Lasers Licht viel schneller oder langsamer absorbieren und emittieren kann als ein einzelnes Ion. Diese Prozesse werden als Super-Strahlung bzw. Unter-Strahlung bezeichnet und sind nicht gut verstanden. Dennoch sagen die Forscher, dass dieses hochgradig nichtlineare optische Emissionsmuster genutzt werden könnte, um effizientere quantenoptische Technologien zu entwickeln. Beispiele könnten Quantenspeicher sein, in denen Informationen in einem Ensemble stark gekoppelter Ionen gespeichert werden, sowie Festkörper-Superstrahlungslaser für Ensemble-basierte Quantenverbindungen in Quanteninformationsprozessoren.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/transparency-window-appears-in-an-ensemble-of-ions/