Atome werden für bestimmte Lichtfrequenzen transparent

Künstlerische Vorstellung von Atomen, die in einem optischen Resonator auf einen Laser treffen. Wissenschaftler haben ein neues Phänomen namens „kollektiv induzierte Transparenz“ (CIT) entdeckt, bei dem Atomgruppen bei bestimmten Frequenzen aufhören, Licht zu reflektieren. Das Team fand diesen Effekt, indem es Ytterbiumatome in einem optischen Resonator einfing und sie Laserlicht aussetzte. Bei bestimmten Frequenzen erschien ein transparentes Fenster, durch das Licht ungehindert den Hohlraum umging. Bildnachweis: Ella Maru Studio

Der neu beobachtete Effekt macht die Atome für bestimmte Lichtfrequenzen transparent

Forscher des California Institute of Technology haben ein neues Phänomen entdeckt, die „kollektiv induzierte Transparenz“ (CIT), bei der Licht bei bestimmten Frequenzen ungehindert Atomgruppen durchdringt. Diese Entdeckung könnte zu Verbesserungen bei Quantenspeichersystemen führen.

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.

Andrei Faraon vom California Institute of Technology (BS ’04) und William L. Professor für Angewandte Physik und Elektrotechnik gegenüber dem Journal Natur. „Unsere Forschung wurde im Grunde 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 die Atomgruppe Licht des Lasers entweder viel schneller oder viel langsamer absorbieren und emittieren kann als alleine.[{“ 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.

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