Glasfibre og lys giver ny kontrol over atomar fluorescens

Elektroner inde i et atom pisker rundt om kernen som satellitter rundt om Jorden, optager baner bestemt af kvantefysikken. Lys kan booste en elektron til en anden, mere energisk kredsløb, men det høje varer ikke evigt. På et tidspunkt vil den exciterede elektron slappe af tilbage til sin oprindelige bane, får atomet til spontant at udsende lys, som forskerne kalder fluorescens.

Forskere kan spille et puds med et atoms omgivelser for at justere afslapningstiden for højtflyvende elektroner, som derefter dikterer fluorescenshastigheden. I en ny undersøgelse, forskere ved Joint Quantum Institute observerede, at en lille tråd af glas, kaldet en optisk nanofiber, haft en væsentlig indflydelse på, hvor hurtigt et rubidiumatom frigiver lys. Forskningen, som optrådte som et redaktørforslag i Fysisk gennemgang A , viste, at fluorescensen afhang af lysformen, der blev brugt til at excitere atomerne, når de var i nærheden af ​​nanofiberen.

"Atomer er lidt ligesom antenner, absorberer lys og sender det ud i rummet igen, og alt, der sidder i nærheden, kan potentielt påvirke denne strålingsproces, " siger Pablo Solano, hovedforfatteren på undersøgelsen og en kandidatstuderende fra University of Maryland på det tidspunkt, hvor denne forskning blev udført.

For at undersøge, hvordan miljøet påvirker disse atomantenner, Solano og hans samarbejdspartnere omgiver en nanofiber med en sky af rubidiumatomer. Nanofibre er specialfremstillede rør, der tillader meget af lyset at bevæge sig på ydersiden af ​​fiberen, forbedre dets interaktioner med atomer. Atomerne tættest på nanofiberen - inden for 200 nanometer - følte dens tilstedeværelse mest. Noget af fluorescensen fra atomer i denne region ramte fiberen og hoppede tilbage til atomerne i en udveksling, der i sidste ende ændrede, hvor længe et rubidium-atoms elektron forblev ophidset.

Forskerne fandt ud af, at elektronernes levetid og efterfølgende atomare emissioner afhang af lysets bølgekarakteristika. Lysbølger svinger, mens de rejser, nogle gange glider som en sidewinder-slange og andre gange proptrækker som en DNA-streng. Forskerne så, at for visse lysformer blev elektronen dvælende i den ophidsede tilstand, og for andre, det gjorde en mere brat exit.

"Vi var i stand til at bruge lysets oscillationsegenskaber som en slags knap til at kontrollere, hvordan atomar fluorescens nær nanofiberen tændte, " siger Solano.

Holdet satte oprindeligt sig for at måle virkningerne af nanofiberen på atomer, og sammenligne resultaterne med teoretiske forudsigelser for dette system. De fandt uoverensstemmelser mellem deres målinger og eksisterende modeller, der inkorporerer mange af de komplekse detaljer i rubidiums indre struktur. Denne nye forskning tegner et enklere billede af atom-fiber-interaktionerne, og holdet siger, at der er behov for mere forskning for at forstå uoverensstemmelserne.

"Vi mener, at dette arbejde er et vigtigt skridt i den igangværende søgen efter en bedre forståelse af samspillet mellem lys og atomer nær en nanoskala lysledende struktur, såsom den optiske nanofiber, vi brugte her, " siger JQI Fellow og NIST videnskabsmand William Phillips, som også er en af ​​de ledende efterforskere på undersøgelsen.