Transparența indusă colectiv sau cum atomii devin „transparenți” la anumite frecvențe ale luminii

Un fenomen descoperit recent, numit „transparență indusă colectiv” TIC face ca grupurile de atomi să înceteze brusc să reflecte lumina la anumite frecvențe ale acesteia.

Fenomenul a fost descoperit prin confinarea sau izolarea atomilor de yterbiu într-o cavitate optică, care este în esență o cutie minusculă pentru lumină, și bombardarea acestora cu un laser.

Deși lumina laserului se va reflecta de atomi până la un punct, pe măsură ce frecvența luminii este ajustată se obține o fereastră de transparență în care lumina trece liber, pur și simplu, prin cavitate.

„Nu am știut niciodată că există această fereastră de transparență. În cercetarea noastră am urmărit în primul rând să aflăm cauza acestui fenomen”, a declarat Andrei Faraon, profesor de fizică aplicată și inginerie electrică la Caltech și coautor corespondent al unei lucrări despre descoperire care a fost publicată pe 26 aprilie în revista Nature.

O analiză a ferestrei de transparență arată că aceasta este rezultatul interacțiunilor din cavitatea optică între grupuri de atomi și lumină. Acest fenomen este asemănător cu interferența distructivă, în care undele din două sau mai multe surse se pot anula reciproc.

Grupurile de atomi absorb și reemit, în mod continuu, lumină, ceea ce are ca rezultat, în general, reflectarea luminii laserului. Cu toate acestea, la frecvența TIC, există un echilibru creat de lumina reemisă de la fiecare dintre atomii dintr-un grup, rezultând o scădere a reflexiei.

„Un ansamblu de atomi cuplați puternic la același câmp optic poate duce la rezultate neașteptate”, a declarat coautorul principal Mi Lei, un absolvent de la Caltech.

Imagine artistică a unui laser lovind atomi într-o cavitate optică. Credit: Ella Maru Studio

Rezonatorul optic, care măsoară doar 20 de microni în lungime și include caracteristici mai mici de 1 micron, a fost fabricat la Kavli Nanoscience Institute din Caltech.

„Prin tehnicile convenționale de măsurare a opticii cuantice am descoperit că sistemul nostru a atins un regim neexplorat, dezvăluind o nouă fizică”, a declarat absolventul Rikuto Fukumori, coautor principal al lucrării.

Pe lângă fenomenul de transparență, cercetătorii au mai observat că grupul de atomi poate absorbi și emite lumină de la laser mult mai rapid sau mult mai lent, comparativ cu un singur atom, în funcție de intensitatea laserului. Aceste procese și fizica lor sunt încă puțin înțelese din cauza numărului mare de particule cuantice care interacționează.

„Am fost capabili să monitorizăm și să controlăm interacțiunile lumină-materie la scară nanometrică”, a declarat coautorul corespondent Joonhee Choi, un fost cercetător postdoctoral la Caltech, care este acum profesor asistent la Universitatea Stanford.

Deși  cercetarea este în primul rând fundamentală și extinde înțelegerea noastră asupra lumii misterioase a efectelor cuantice, această descoperire are potențialul de a deschide calea către realizarea unor memorii cuantice mai eficiente, în care informațiile sunt stocate într-un ansamblu de atomi care sunt puternic cuplați.

Faraon a lucrat, de asemenea, la crearea unor memorii cuantice prin manipularea interacțiunilor mai multor atomi de vanadiu.

„În afară de memorii, aceste sisteme experimentale oferă o perspectivă importantă privind dezvoltarea viitoarelor conexiuni între computerele cuantice ”, afirmă Manuel Endres, profesor de fizică, care este și coautor al studiului.

Traducere dupa Newly observed effect makes atoms transparent to certain frequencies of light