Tuning optiske resonatorer giver forskere kontrol over gennemsigtighed

I kvanteområdet, under visse omstændigheder og med de rigtige interferensmønstre, lys kan passere gennem uigennemsigtige medier.

Denne egenskab af lys er mere end et matematisk trick; optisk kvantehukommelse, optisk lagring og andre systemer, der er afhængige af interaktioner mellem få fotoner ad gangen, afhænger af processen, kaldes elektromagnetisk induceret gennemsigtighed, også kendt som EIT.

På grund af dets anvendelighed i eksisterende og nye kvante- og optiske teknologier, forskere er interesserede i evnen til at manipulere EIT uden indførelse af en ekstern indflydelse, såsom yderligere fotoner, der kan forstyrre det allerede sarte system. Nu, forskere ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis har udtænkt et fuldt indeholdt optisk resonatorsystem, der kan bruges til at tænde og slukke gennemsigtighed, muliggøre et mål for kontrol, der har konsekvenser på tværs af en lang række applikationer.

Gruppen offentliggjorde resultaterne af forskningen, udført i laboratoriet i Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner Professor i Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering, i et papir med titlen Electromagnetically induced Transparency at a Chiral Exceptional Point i 13. januar -udgaven af Naturfysik .

Et optisk resonatorsystem er analogt med et elektronisk resonanskredsløb, men bruger fotoner i stedet for elektroner. Resonatorer findes i forskellige former, men de involverer alle reflekterende materiale, der fanger lys i en periode, når det hopper frem og tilbage mellem eller omkring overfladen. Disse komponenter findes i alt fra lasere til måleudstyr med høj præcision.

Til deres forskning, Yangs team brugte en type resonator kendt som en hviskende galleritilstandsresonator (WGMR). Det fungerer på en måde, der ligner det hviskende galleri ved St. Paul's Cathedral, hvor en person på den ene side af rummet kan høre en person hviske på den anden side. Hvad katedralen gør med lyd, imidlertid, WGMR'er gør med lys - fangende lys, da det reflekterer og hopper langs den buede omkreds.

I et idealiseret system, en fiberoptisk linje skærer med en resonator, en ring lavet af silica, ved en tangent. Når en foton i linjen møder resonatoren, det svømmer ind, reflekterer og formerer sig langs ringen, forlader fiberen i samme retning, som den oprindeligt var på vej mod.

Virkelighed, imidlertid, er sjældent så pæn.

"Fremstilling i resonatorer af høj kvalitet er ikke perfekt, "Sagde Yang." Der er altid en eller anden fejl, eller støv, der spreder lyset. "Det, der faktisk sker, er, at noget af det spredte lys ændrer retning, forlader resonatoren og rejser tilbage i den retning, hvor den kom fra. Spredningseffekterne spreder lyset, og det forlader ikke systemet.

Forestil dig en kasse omkring systemet:Hvis lyset kom ind i boksen fra venstre, derefter forlod den højre side, boksen fremstår gennemsigtig. Men hvis lyset, der kom ind, var spredt og ikke kunne klare det, boksen ville virke uigennemsigtig.

Fordi fremstillingsfejl i resonatorer er inkonsekvente og uforudsigelige, sådan var gennemsigtigheden også. Lys, der kommer ind i sådanne systemer, spredes og i sidste ende mister sin styrke; det absorberes i resonatoren, gør systemet uigennemsigtigt.

I systemet udarbejdet af co-first forfattere Changqing Wang, en ph.d. kandidat, og Xuefeng Jiang, en forsker i Yangs laboratorium, der er to WGMR indirekte koblet med en fiberoptisk linje. Den første resonator er højere i kvalitet, kun har en ufuldkommenhed. Wang tilføjede et lille spidsmateriale, der fungerer som en nanopartikel til resonatoren af ​​høj kvalitet. Ved at flytte den provisoriske partikel, Wang var i stand til at "tune" det, styrer måden lyset indeni spredes.

Vigtigere, han var også i stand til at indstille resonatoren til det, der er kendt som et "ekstraordinært punkt, "et punkt, hvor en og kun en tilstand kan eksistere. I dette tilfælde, tilstanden er lysets retning i resonatoren:med eller mod uret.

Til forsøget, forskere rettede lys mod et par indirekte koblede resonatorer fra venstre (se illustration). Lysbølgen kom ind i den første resonator, som blev "tunet" for at sikre, at lyset rejste med uret. Lyset sprang rundt i omkredsen, derefter forlod, fortsætter langs fiberen til den anden, resonator af lavere kvalitet.

Der, lyset blev spredt af resonatorens ufuldkommenheder, og noget af det begyndte at rejse mod uret langs omkredsen. Lysbølgen vendte derefter tilbage til fiberen, men gik tilbage mod den første resonator.

Kritisk, forskere brugte ikke kun nanopartiklen i den første resonator til at få lysbølgerne til at bevæge sig med uret, de indstillede det også på en måde, der, da lysbølgerne spredte sig frem og tilbage mellem resonatorer, ville der dannes et særligt interferensmønster. Som et resultat af dette mønster, lyset i resonatorerne blev afbrudt, så at sige, tillader lyset, der bevæger sig langs fiberen, at strømme forbi, gør systemet gennemsigtigt.

Det ville være som om nogen skinnede et lys på en murstensvæg - intet lys ville komme igennem. Men så skinnede en anden person med en anden lommelygte det samme sted og, lige pludselig, det sted i væggen blev gennemsigtigt.

En af de mere vigtige - og interessante - funktioner i EIT er dens evne til at skabe "langsomt lys". Lysets hastighed er altid konstant, men den faktiske værdi af denne hastighed kan ændre sig baseret på egenskaberne af mediet, hvorigennem den bevæger sig. I et vakuum, lyset bevæger sig altid ved 300, 000, 000 meter i sekundet.

Med EIT, mennesker har bremset lyset til lysmeter i sekundet, Sagde Wang. "Det kan have betydelig indflydelse på opbevaring af lysinformation. Hvis lyset sænkes, vi har nok tid til at bruge den kodede information til optisk kvanteberegning eller optisk kommunikation. "Hvis ingeniører bedre kan styre EIT, de kan mere pålideligt afhænge af langsomt lys til disse applikationer.

Manipulering af EIT kan også bruges til udvikling af langdistancekommunikation. En tuningresonator kan indirekte kobles til en anden resonator kilometer væk langs det samme fiberoptiske kabel. "Du kan ændre det transmitterede lys ned ad linjen, "Sagde Yang.

Dette kan være kritisk for, blandt andet, kvantekryptering.