Smalle glastråde synkroniserer lysemissionerne fra fjerne atomer

Hvis du råber ad nogen på tværs af din gård, lyden rejser på den travle bevægelse af luftmolekyler. Men over lange afstande har din stemme brug for hjælp til at nå sin destination – hjælp fra en telefon eller internettet. Atomer råber ikke, men de kan dele information gennem lys. Og de har også brug for hjælp til at forbinde over lange afstande.

Nu, forskere ved Joint Quantum Institute (JQI) har vist, at nanofibre kan være en forbindelse mellem fjerntliggende atomer, fungerer som en let bro mellem dem. Deres forskning, som blev udført i samarbejde med Army Research Lab og National Autonomous University of Mexico, blev offentliggjort i sidste uge i Naturkommunikation . Den nye teknik kan i sidste ende give sikre kommunikationskanaler mellem fjerne atomer, molekyler eller endda kvanteprikker.

Et ophidset atom - dvs. en med noget ekstra energi - udsender lys, når den mister energi. Normalt spytter atomer dette lys ud i tilfældige retninger og på forskellige tidspunkter. Men denne tilfældige proces kan tæmmes, hvis exciterede atomer samles tæt sammen. I det tilfælde, atomer kan synkronisere deres lysemissioner, som et anerkendende publikums rytmiske klap. Imidlertid, denne synkroniseringseffekt, som er forårsaget af lys fra forskellige atomer, der går sammen, når ikke ret langt, fordi lysets styrke svækkes drastisk over korte afstande. Mens din nabo måske hører dig råbe over flere meter, atomer skal være virkelig tæt på at interagere med hinanden - typisk tættere på end en mikron, som er hundrede gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Nu, fysikere har udvidet det område, over hvilket atomer kan synkronisere deres lysemission ved at bruge en optisk nanofiber. I et eksperiment, forskerne nedsænker en nanofiber i en sky af kolde rubidium-atomer og exciterer atomerne med en laserstråle. Når atomer i skyen bevæger sig rundt, de kommer nogle gange meget tæt på fiberen. Hvis et atom udsender lys nær fiberen, glastråden kan fange lyset og lede det til et andet atom, også selvom atomerne er langt fra hinanden.

Holdet observerede en gruppe atomer, der udsendte lysimpulser med andre hastigheder end deres almindelige, usynkroniserede jeger – en signatur på disse vidtrækkende interaktioner. Effekten varede, selv når fysikere kløvede atomskyen i to, så atomer i separate skyer kun kunne forbindes gennem fiberen, og ikke gennem andre atomer i skyen.

Atomerne i dette eksperiment er kun adskilt af afstande på nogle få stykker papir, men forfatterne siger, at længere afstande - meter eller endda kilometer - burde kunne lade sig gøre. "Vi har vist, at optiske nanofibre er fremragende til at forbinde atomer, der er ret langt fra hinanden - hvis atomerne var på størrelse med mennesker, det ville være en afstand på mere end 300 kilometer, " siger Pablo Solano, hovedforfatteren af ​​papiret og en tidligere JQI kandidatstuderende. "Spørgsmålet er nu ikke, om atomerne interagerer, men hvor langt kan vi skubbe deres optisk-fiber-medierede forbindelser." På atomernes skala er selv et par meter en enorm afstand. Men forfatterne siger, at en kombination af optiske nanofibre og almindelig fiberoptik - teknologier, der allerede er implementeret i lang tid. telefonopkald på afstand, kabel-tv og internettet – kunne udvide rækkevidden af ​​disse atomforbindelser endnu længere.