Fysikere opretter drejekorn til fotoner

Fysikere fra Tyskland, Danmark, og det er lykkedes Østrig at skabe en slags vendekors for lys i glasfibre, der tillader lyspartiklerne kun at passere en ad gangen

Glasfibre, som styrer laserlys, er rygraden i nutidens moderne informationssamfund. Hvis du tænker på laserlys som en strøm af lyspartikler, såkaldte fotoner, så er disse helt uafhængige af hinanden, og deres nøjagtige ankomsttid er overladt til tilfældighederne. I særdeleshed, to fotoner kan ankomme til modtageren samtidigt. Til mange applikationer, imidlertid, det er ønskeligt, at den ene foton registreres efter den anden, dvs. at lyspartiklerne er stillet op som en perlerække.

Sådanne isolerede fotoner er, for eksempel, et grundlæggende krav til kvantekommunikation, hvor man kan kommunikere på en grundlæggende trykfast måde. Indtil nu, enkelte kvanteemittere, såsom et enkelt atom eller et enkelt molekyle, har typisk fungeret som kilder til sådanne strømme af individuelle fotoner. Hvis kvanteemitteren er begejstret med laserlys og fluorescerer, det vil altid udsende nøjagtigt en foton med hvert kvantespring. For denne type kilde, det er så stadig en udfordring at effektivt "fodre" de udsendte fotoner i en glasfiber for at sende så mange af dem som muligt til modtageren.

Forskere fra Tyskland, Danmark og Østrig er nu lykkedes for første gang at direkte konvertere laserlys i optiske fibre til en strøm af isolerede fotoner ved hjælp af en ny effekt. Forslaget til eksperimentet kom fra teoretiske fysikere Dr. Sahand Mahmoodian og professor Klemens Hammerer ved Leibniz University Hannover og kolleger fra Københavns Universitet. Det blev derefter udført i forskningsgruppen for professor Dr. Arno Rauschenbeutel ved Humboldt -universitetet i Berlin. Til dette formål, forskerne brugte en kraftig atom-light-grænseflade, hvor atomer er fanget nær en såkaldt optisk nanofiber og kontrolleret koblet til lyset, der ledes i nanofiberen.

Disse særlige glasfibre er hundrede gange tyndere end et menneskehår, og atomerne holdes på plads 0,2 mikrometer fra glasfiberoverfladen ved hjælp af en pincet lavet af laserlys. På samme tid, de afkøles med laserlys til en temperatur på et par milliontedele af en grad over det absolutte nul. Dette system gjorde det muligt for forskerne at præcist kontrollere antallet af atomer langs laserstrålen. I forsøget, forskerne analyserede derefter, hvor ofte fotonerne kom ud af fiberen individuelt eller i par.

Da omkring 150 atomer blev fanget nær nanofiberen, det viste sig, at det transmitterede lys praktisk talt kun bestod af isolerede fotoner. Så, samlet, atomerne virkede for fotonerne som en drejebog, der regulerer en strøm af mennesker. Overraskende, effekten var den modsatte, da antallet af atomer blev forøget:Så lod atomerne fotonerne helst passere i par.

Denne opdagelse åbner op for en helt ny måde at realisere lyse, fiberintegrerede enkeltfotonkilder. På samme tid, arbejdsprincippet demonstreret af forskerne kan anvendes på et bredt spektrum af det elektromagnetiske spektrum (mikrobølger til røntgenstråler). Dette åbner mulighed for at generere enkeltfotoner i spektrale områder, som der ikke er tilgængelige kilder til hidtil. Forskerne har allerede indsendt en patentansøgning for denne teknologi.