Transparantievenster verschijnt in een ensemble van ionen - Physics World

Transparantievenster verschijnt in een ensemble van ionen - Physics World

Tijdstempel: 30 mei 2023 5:00 uur

een laser die atomen in een optische holte raakt.
Collectief geïnduceerde transparantie: visualisatie door een kunstenaar van een laser die atomen treft in een optische holte. (Met dank aan: Ella Maru Studio)

Natuurkundigen in de VS hebben een op laser gebaseerde "schakelaar" ontdekt die een monster van ionen bij bepaalde frequenties volledig transparant maakt. Het team werkte aan het California Institute of Technology (Caltech) en ontdekte dat wanneer ze ytterbiumionen (Yb3+) naar een nanofotonische resonator en ze sterk aansloegen met laserlicht, stopten de ionen abrupt met het reflecteren van licht op frequenties die verband houden met hun trillingen. Dit effect, dat het team "collectief geïnduceerde transparantie" noemt, zou toepassingen kunnen hebben in kwantumoptische apparaten.

"We ontdekten het fenomeen terwijl we probeerden technieken te ontwikkelen om ytterbium-atomen gekoppeld aan een optische holte te beheersen met behulp van laserlicht", zegt co-teamleider Andrej Faraon vertelt Natuurkunde wereld. De holte, die 20 micron breed is, bevat ongeveer een miljoen Yb3+ ionen. Als groep trillen deze ionen met een brede verdeling van frequenties, maar Faraon legt uit dat elk individueel ion alleen trilt binnen een zeer smal frequentiebereik.

"Wanneer het wordt onderzocht met een laser met een lager vermogen, is het systeem ondoorzichtig", vervolgt hij. "Als de laser echter wordt afgestemd op een frequentie precies in het midden van de frequentieverdeling en het vermogen toeneemt, wordt het systeem transparant."

Vergelijkbaar met destructieve interferentie

Dit selectieve transparantie-effect houdt verband met hoe de ionen oscilleren ten opzichte van de laser, zegt Faraon. Hij vergelijkt het met het bekende fenomeen van destructieve interferentie, waarbij golven van twee of meer bronnen elkaar opheffen. In het systeem dat in dit werk is bestudeerd, absorberen de groepen ionen continu licht en zenden het weer uit. Normaal gesproken betekent dit re-emissieproces dat laserlicht wordt gereflecteerd. Bij de collectief veroorzaakte transparantiefrequentie gebeurt er echter iets heel anders: het opnieuw uitgezonden licht van elk van de ionen in een groep balanceert, wat leidt tot een dramatische afname van de reflectie.

Naast collectief veroorzaakte transparantie, merkten Faraon en collega's ook op dat het ensemble van ionen veel sneller of langzamer licht kan absorberen en uitzenden dan een enkel ion, afhankelijk van de intensiteit van de laser. Deze processen staan ​​​​bekend als respectievelijk superuitstraling en subuitstraling en worden niet goed begrepen. Toch zeggen de onderzoekers dat dit zeer niet-lineaire optische emissiepatroon kan worden benut om efficiëntere kwantumoptische technologieën te creëren. Voorbeelden hiervan zijn kwantumgeheugens waarin informatie wordt opgeslagen in een ensemble van sterk gekoppelde ionen, evenals solid-state superstralende lasers voor op ensembles gebaseerde kwantumverbindingen in kwantuminformatieprocessors.

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld