Effektiv refleksion af lys til kvanteteknologi
Lys spredes normalt i alle retninger, og når lyset rammer en genstand, reflekteres og spredes det yderligere. Så lys er normalt temmeligt ustyrligt. Men forskerne vil gerne kunne styre lyset endda helt ned til atomart niveau for at kunne udvikle fremtidens kvanteteknologi. Forskere på Niels Bohr Institutet har derfor udviklet en ny metode, hvor de skaber en meget stærk vekselvirkning mellem lys og atomer, der bevirker, at lyset kan kontrolleres og reflekteres på en glasfibertråd. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Physical Review Letters.
Ved at kontrollere afstanden mellem bare 1000 atomer langs en ultratynd glasfibertråd er det lykkedes forskere på Niels Bohr Institutet at opnå en spejleffekt, hvor mere end 10 procent af lyset reflekteres og sendes bagud. Det er et skridt på vejen til at kontrollere lys til fremtidens kvanteteknologi. Eksperimenterne er udført i forskningsgruppens kvanteoptiske laboratorier på Niels Bohr Institutet i København. På billedet ses forskerne Jean Baptiste Béguin og Jürgen Appel.
Eksperimenterne foregår i et glaskammer, hvor der er der udspændt en ultratynd optisk glasfibertråd på 500 nanometer i diameter – det er 1000 gange mindre end diameteren på et hårstrå. I glaskammeret er der desuden en gas af cæsium-atomer, som er kølet ned til 50 mikro-grader Kelvin, hvilket er næsten det absolutte nulpunkt på minus 273 grader Celcius. På grund af den ultrakolde temperatur, bevæger cæsium-atomerne sig næsten ikke, og de fastholdes tæt på glasfibertrådens overflade. Med laserlys kan forskerne skubbe lidt til de enkelte atomer, så de kommer til at ligge langs glasfiberens overflade med samme afstand imellem sig.
Ved hjælp af laserlys har fysikerne arrangeret atomerne langs glasfibertråden med afstande, som præcist passer med bølgelængden på det lys, der sendes gennem glasfiberen. Med kun 1000 atomer har de derved opnået en spejl-effekt, som reflekterer og sender mere end 10 procent af lyset bagud.
Spejl-effekt
”Vi sender nu laserlys igennem glasfibertråden. Lyset har en bestemt bølgelængde, og da fiberen er tyndere end lysets bølgelængde, bevæger lyset sig også langs med fiberens overflade, hvor atomerne sidder på række. Når lyset rammer det første atom, skabes der en stærk vekselvirkning mellem lyset og atomet, og atomet svinger i takt med lysbølgen. Med atomets præcise afstand, som passer med lysets bølgelængde, får man en refleksion af lyset bagud”, forklarer Jürgen Appel, lektor i forskningsgruppen, Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Han fortæller, at det er dén bagud-refleksion, der er så vigtig. Når lyset rammer det næste atom i rækken sker det samme – og det næste, og det næste. For hver gang, lyset rammer et atom, reflekteres en lille del af lyset og sendes bagud.
”Det er lykkedes at omdirigere mere end 10 procent af lyset. Med kun 1000 atomer bliver der skabt en vekselvirkning, som er lige stå stærk som en glasplade med milliardvis af atomer. Vi har skabt et spejl, som effektivt reflekterer lys, og vi kan endda både tænde og slukke for det”, siger Jürgen Appel.
Sådan et tænd/sluk spejl baseret på blot få atomer kan udnyttes til at forbedre vekselvirkningen mellem enkelt-atomer og fiberstyret lys, og det kan udvikles til at forberede sammenfiltrede (entangeled) kvantestadier i forbindelse med fastholdte atomare systemer til fremtidens kvanteteknologi.
Forskere fra forskningsgruppen Quantop, som har bidraget til forskningen: Jörg Müller, Heidi Lundgaard Sørensen, Christine Pepke Pedersen, Jean-Baptiste Béguin, Jürgen Appel, Kilian Kluge, Eugene Polzik.
Link til artiklen i Physical Review Letters >>
Jürgen Appel, lektor, forskningsgruppen Quantop på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 3532-5300, +45 3532-5386 (lab.), jappel@nbi.dk
Jörg Müller, lektor, forskningsgruppen Quantop på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 3532-5304, +45 3532-5410 (lab), muller@nbi.dk
Jean Baptiste Béguin, postdoc, forskningsgruppen Quantop på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 3533-4116, +45 3532-5386 (lab.), jbeguin@nbi.dk
Eugene Polzik, professor, leder af forskningsgruppen Quantop på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 3532-5424, polzik@nbi.dk