Følende atomer fanget i lysets krusninger

Optiske fibre er allestedsnærværende, bærer lys, hvor det er nødvendigt. Disse glastunneler er informationstransitens højhastighedstog, flytte data med utrolige hastigheder over enorme afstande. Fibrene er også tynde og fleksible, så de kan blive nedsænket i mange forskellige miljøer, herunder menneskekroppen, hvor de er ansat til belysning og billeddannelse.

Fysikere bruger fibre, også, især dem, der studerer atomfysik og kvanteinformationsvidenskab. Bortset fra at skubbe laserlys rundt, fibre kan bruges til at skabe lysfælder til superkølede atomer. Indfangede atomer kan interagere stærkere med lys, meget mere, end hvis de bevægede sig frit. Dette temmelig kunstige miljø kan bruges til at udforske grundlæggende fysiske spørgsmål, såsom hvordan en enkelt lyspartikel interagerer med et enkelt atom. Men det kan også hjælpe med at udvikle fremtidige hybridatom-optiske teknologier.

Nu, forskere fra Joint Quantum Institute og Army Research Laboratory har udviklet et hurtigtvirkende, ikke-invasiv måde at bruge fiberlys til at afsløre oplysninger om fiberfælder. Denne teknik minder om biomedicinske og kemiske sensorer, der bruger fibre til at detektere egenskaber ved nærliggende molekyler. Fiber sensorer er et attraktivt måleværktøj, fordi de ofte kan udtrække information uden helt at forstyrre interessante fænomener, der kan være i gang. Forskningen optrådte som en Editor's Pick i tidsskriftet Optik bogstaver . Teamet offentliggjorde også en reviewartikel om optiske nanoskala fibre i den seneste mængde Advances in Atomic, Molekylær, og optisk fysik.

Typiske optiske fibre, ligesom dem, der bruges i kommunikation og medicin, har kun en lille mængde lys nær den ydre overflade, og det er ikke nok til at fange atomer fra en omgivende gas. Fysikere kan skubbe mere lys til ydersiden ved at omforme fiberen til at ligne et lille timeglas i stedet for en tunnel. Timeglassets talje er hundredvis af nanometer, et par gange bredden af ​​et menneskehår og for lille til at indeholde lysbølger, der formerer sig langs fiberens inderside. Men i stedet for bare at stoppe ved indsnævringen, lyset klemmer til ydersiden. Når fysikere injicerer lys i begge ender af en sådan fiber, lysbølgerne kombineres for at danne en stationær krusning omkring indsnævringen. Atomer vil blive tiltrukket af fald i bølgen og stille sig som en række æg i en karton.

Denne fangst er et eksempel på, hvordan lys påvirker atomer, trække dem ind. Men lys-atom-forholdet er gensidigt:Tilstedeværelsen af ​​atomer kan ændre lyset, også. Lysbølger, sendt ind i den ene ende af en nanoskala fiber, vil afhente oplysninger om atomerne i nærheden af ​​fiberen, og derefter overføre det til en detektor i den modsatte ende af fiberen.

Hvert fanget atom fungerer som en marmor i en glasskål. Når skubbet, en marmor ruller siden af ​​skålen op, ned igen, og derefter op på den anden side. Hastigheden af ​​denne cyklus er relateret til skålens krumning:Stejlere vægge forårsager hurtigere cyklusser. Forestil dig nu at skinne en lommelygte gennem den ene side af skålen. Når det går frem og tilbage, vil marmoren blive ved med at passere gennem lommelygten. Strålesignalet vil blinke til og fra med den hastighed, hvormed marmoren bevægede sig i skålen. Med andre ord, oplysningerne om marmorbevægelsen, og derfor skålens form, er indkodet på lommelygten.

I denne forskning, holdet bruger laserlys som sonde, analog med lommelygten. Kun 70 nanowatt i strøm injiceres i fiberen, forsigtigt sparker atomerne i gang. Ligner marmor wobbles, atomerne rocker frem og tilbage i deres skålfælder. I stedet for at få sondelyset til at blinke og slukke, atombevægelsen påvirker den retning, lysbølgerne svinger. Atomens hastighed vugger, som er direkte relateret til atomfældens form, vil blive præget på lyset som hurtigere eller langsommere ændringer.

Når lysbølgerne afslutter deres rejse og forlader fiberen, holdet fanger dem med en detektor for løbende at overvåge atomlyssvingningerne. Processen er hurtig, tager kun en brøkdel af et millisekund, og det kan problemfrit integreres i en eksperimentel sekvens.

Når det kommer til at måle disse atomfældeegenskaber, fysikere ønsker at undgå forstyrrelser. Dette kan være svært at gøre, fordi en af ​​de mest effektive måder at undersøge atomer på er at sprænge dem med lys, som kan opvarme og endda frigive dem fra deres fælder. Denne konventionelle metode er acceptabel, fordi forskere bare kan genkøle og genvinde atomerne. I modsætning, JQI-ARL-teknikken bruger meget lidt lys og udføres in-situ, hvilket betyder, at den indsamler information og minimerer forstyrrelser. Dette tiltalende alternativ lover at strømline atomfiberforsøg.