En nano-rundkørsel for lys

Ligesom i normal vejtrafik, krydsninger er uundværlige i optisk signalbehandling. For at undgå kollisioner, der kræves en klar trafikregel. En ny metode er nu blevet udviklet på TU Wien for at tilvejebringe en sådan regel for lyssignaler. Til dette formål, de to glasfibre blev i deres skæringspunkt koblet til en optisk resonator, hvor lyset cirkulerer og opfører sig som i en rundkørsel. Cirkulationsretningen er defineret af et enkelt atom koblet til resonatoren. Atomet sikrer også, at lyset altid forlader rundkørslen ved den næste afkørsel. Denne regel er stadig gyldig, selvom lyset kun består af individuelle fotoner. En sådan rundkørsel vil derfor blive installeret i integrerede optiske chips - et vigtigt trin for optisk signalbehandling.

Signalbehandling ved hjælp af lys i stedet for elektronik

Udtrykket "optiske cirkulatorer" refererer til elementer i skæringspunktet mellem to indbyrdes vinkelrette optiske fibre, som leder lyssignaler fra den ene fiber til den anden, så lysets retning altid ændres, for eksempel, 90 ° med uret.

"Disse komponenter har længe været brugt til frit at sprede lysstråler, "siger Arno Rauschenbeutel fra Wien Center for Quantum Science and Technology ved Institute of Atomic and Subatomic Physics i TU Wien." Sådanne optiske cirkulatorer er for det meste baseret på den såkaldte Faraday-effekt:et stærkt magnetfelt påføres et gennemsigtigt materiale , som er placeret mellem to polarisationsstrålesplittere, der roteres i forhold til hinanden. Magnetfeltets retning bryder symmetrien og bestemmer i hvilken retning lyset omdirigeres. "

Imidlertid, af tekniske årsager, komponenter, der gør brug af Faraday -effekten, kan ikke realiseres på de små skalaer inden for nanoteknologi. Dette er ærgerligt, da sådanne komponenter er vigtige for fremtidige teknologiske applikationer. "I dag, vi forsøger at bygge optiske integrerede kredsløb med lignende funktioner, som de kendes fra elektronik, "siger Rauschenbeutel. Andre metoder til kun at bryde lysfunktionens symmetri ved meget høje lysintensiteter eller lide af høje optiske tab. Men inden for nanoteknologi ville man gerne kunne behandle meget små lyssignaler, ideelt lyspulser, der udelukkende består af individuelle fotoner.

To glasfibre og en flaske til lys

Teamet i Arno Rauschenbeutel vælger en helt anden måde:de kobler et enkelt rubidiumatom til lysfeltet i en såkaldt "flaskeresonator" - et mikroskopisk løgformet glasobjekt på hvis overflade lyset cirkulerer. Hvis en sådan resonator er placeret i nærheden af ​​to ultratynde glasfibre, de to systemer kobler sig til hinanden. Uden et atom, lyset skifter fra den ene glasfiber til den anden via flaskeresonatoren. På denne måde, imidlertid, ingen cirkulationssans er defineret for cirkulatoren:lys, som afbøjes 90 ° med uret, kan også rejse baglæns via den samme rute, dvs. mod uret.

For at bryde denne fremad/bagud -symmetri, Arno Rauschenbeutels team kobler derudover et atom til resonatoren, som forhindrer koblingen af ​​lyset i resonatoren, og dermed overkoblingen til den anden glasfiber i en af ​​de to cirkulationsretninger. Til dette trick, en særlig egenskab ved lyset bruges på TU Wien:lysbølgens oscillationsretning, også kendt som dens polarisering.

Interaktionen mellem lysbølgen og flaskeresonatoren resulterer i en usædvanlig svingningstilstand. "Polarisationen roterer som rotoren på en helikopter, "Forklarer Arno Rauschenbeutel. Rotationsretningen afhænger af, om lyset i resonatoren bevæger sig med eller mod uret:i et tilfælde roterer polarisationen mod uret, mens det i det andet tilfælde roterer med uret. Cirkulationsretningen og lysets polarisering er derfor låst sammen.

Hvis rubidiumatomet er korrekt forberedt og koblet til resonatoren, man kan få dets interaktion med lyset til at variere for de to cirkulationsretninger. "Det med uret cirkulerende lys påvirkes ikke af atomet. Lyset i den modsatte retning, på den anden side, parrer stærkt til atomet og kan derfor ikke komme ind i resonatoren, "siger Arno Rauschenbeutel. Denne asymmetri af lysatomkoblingen i forhold til lysets formeringsretning i resonatoren tillader kontrol over cirkulatorens drift:Den ønskede cirkulationsfølelse kan justeres via atomets indre tilstand.

"Fordi vi kun bruger et enkelt atom, vi kan subtilt styre processen, "siger Rauschenbeutel." Atomet kan fremstilles i en tilstand, hvor begge trafikregler gælder på samme tid:Alle lyspartikler bevæger sig derefter sammen gennem cirkulatoren i både uret og mod uret. "Heldigvis, dette er umuligt i henhold til reglerne for klassisk fysik, da det ville resultere i kaos i vejtrafikken. I kvantefysikken dog sådanne overlejringer af forskellige tilstande er tilladt, hvilket åbner helt nye og spændende muligheder for den optiske behandling af kvanteinformation.