Forskere satte rekord for lys-stof-interaktion

Et internationalt hold af fysikere fra Mandelstam Institute for Theoretical Physics ved Wits University og Institut Néel i Grenoble, Frankrig, har skabt et lille superledende kredsløb, der efterligner den kvantemekaniske proces, hvor et atom absorberer eller udsender lys.

Deres arbejde blev for nylig offentliggjort Kvanteinformation , og blev fremhævet i et redaktionelt stykke i samme tidsskrift. Det, der gør deres enhed unik, er, at de opnår en kunstig lys-stof-interaktion, der er en størrelsesorden større end i verden som helhed.

Holdet blev ledet af Nicholas Roch fra Institut Néel ved Centre National de la Researche Scientifique i Frankrig. Forsøgene blev udført af ph.d. studerende Javier Martínez og Sébastien Léger.

"Fordelen ved kunstige enheder som vores er, at de let kan justeres. På denne måde kan de fås til at efterligne andre kendte stærkt interagerende systemer, " siger Dr. Izak Snyman, fra Wits University, som spillede en fremtrædende rolle i den teoretiske modellering af enheden og i analyse og fortolkning af de eksperimentelle data.

"En spændende applikation er at bruge vores enhed til at simulere kvantefænomener, der sker inde i en metalklump, hvor det ikke er muligt at observere, hvad der sker så tæt som i vores kunstige system."

Holdet opnåede deres forbedring af lysstofinteraktionen ved at indlejre deres kunstige atom i en omhyggeligt mønstret række af identiske små superledere, hver omkring 1000 nanometer i størrelse (1000 af en millimeter). Til det lys, der udsendes eller absorberes af det kunstige atom, det ligner en krystal, hvilket drastisk sænker hastigheden, hvormed lyset bevæger sig. Som resultat, der er mere tid til en lyspuls til at interagere med det kunstige atom, og en stærkere interaktion resulterer.

For at bestemme styrken af ​​lysstofinteraktionen, holdet studerede den hastighed, hvormed deres atom udsender lys. De sammenlignede dette med den hastighed, hvormed "elektronen" i deres kunstige atom kredser. Hvor en elektron i et normalt brintatom kredser omkring 10 millioner gange før det henfalder og udsender en pakke lys, det lykkedes forskerne at få det kunstige atom til at henfalde og udsende en pakke lys efter kun 10 svingninger.

"Dette viser en overraskende stærk interaktion mellem lyset og atomet, " siger Snyman. "I tidligere enheder, hvor denne bedrift blev opnået, det miljø, som lyset måtte rejse igennem, opførte sig uvægerligt på samme måde som en stemmegaffel for lys, ved stærkt at favorisere en enkelt lysfrekvens."

Ved ikke at vælge en bestemt frekvens (eller farve), miljøet giver mulighed for en meget mere rig adfærd at dukke op fra lys-stof-interaktionen end tidligere enheder. Desuden, hvorimod for et givet naturligt atom, man sidder fast i den interaktionsstyrke, naturen vælger, i den nye enhed kan den justeres i hånden.

"Dette svarer til at have en app, der gør det muligt at justere mængden af ​​elektrisk ladning en proton eller elektron bærer, i stedet for at nøjes med det standardbeløb, der er dekreteret af naturen, siger Snyman.

Selvom der ikke nødvendigvis er applikationer fra den virkelige verden til denne nye enhed, Snyman mener, at det giver forskere et nyt sæt værktøjer til at udforske stærkt interagerende kvantemekaniske systemer.

"Mange ubesvarede grundlæggende spørgsmål i fysik involverer stærke interaktioner. For eksempel, hvordan binder kvarker sig til protoner og neutroner? Enheder som vores kan give ledetråde til disse gåder."