Quantum ping-pong:To atomer kan fåes til at hoppe en enkelt foton frem og tilbage med høj præcision
Atomer kan absorbere og genudsende lys - dette er et dagligdags fænomen. I de fleste tilfælde udsender et atom dog en lyspartikel i alle mulige retninger - at genfange denne foton er derfor ret svært.
Et forskerhold fra TU Wien i Wien (Østrig) har nu teoretisk kunnet demonstrere, at ved hjælp af en speciel linse kan en enkelt foton udsendt af et atom garanteres at blive reabsorberet af et andet atom. Dette andet atom absorberer dog ikke kun fotonen, men returnerer det direkte tilbage til det første atom. På den måde videregiver atomerne fotonen til hinanden med stor nøjagtighed igen og igen – ligesom i ping-pong.
Sådan tæmmer du en bølge
"Hvis et atom udsender en foton et sted i det frie rum, er emissionsretningen fuldstændig tilfældig. Det gør det praktisk talt umuligt at få et andet fjernt atom til at fange denne foton igen," siger prof. Stefan Rotter fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. "Fotonen forplanter sig som en bølge, hvilket betyder, at ingen kan sige præcis, i hvilken retning den bevæger sig. Det er derfor en ren tilfældighed, om lyspartiklen genabsorberes af et andet atom eller ej."
Situationen er anderledes, hvis forsøget ikke udføres i frit rum, men i et lukket miljø. Noget ganske lignende kendes fra såkaldte hviskegallerier inden for akustik:Hvis to personer placerer sig i et ellipseformet rum præcis i ellipsens brændpunkter, kan de høre hinanden perfekt – også når de kun hvisker stille og roligt.
Lydbølgerne reflekteres af den elliptiske væg på en sådan måde, at de mødes igen præcis, hvor den anden person står – denne person kan derfor høre den stille hvisken perfekt.
"I princippet kunne noget lignende bygges til lysbølger, når to atomer placeres i brændpunkterne af en ellipse," siger Oliver Diekmann, den første forfatter til den aktuelle publikation. "Men i praksis ville de to atomer skulle placeres meget præcist ved disse brændpunkter."
Maxwell fiskeøje-linsen
Forskerholdet kom derfor med en bedre strategi baseret på konceptet med fiskeøje-linsen, som blev udviklet af James Clerk Maxwell, grundlæggeren af klassisk elektrodynamik. Linsen omfatter et rumligt varierende brydningsindeks. Mens lys bevæger sig i lige linjer i et ensartet medium som luft eller vand, bøjes lysstråler i en Maxwell fiskeøje-linse.
"På denne måde er det muligt at sikre, at alle stråler, der udgår fra et atom, når linsens kant på en buet bane, efterfølgende reflekteres og derefter ankommer til målatomet på en anden buet bane," forklarer Oliver Diekmann. I dette tilfælde virker effekten meget mere effektivt end i en simpel ellipse, og afvigelser fra atomernes ideelle positioner er mindre skadelige.
"Lysfeltet i denne Maxwell fiskeøje-linse består af mange forskellige oscillerende tilstande. Dette minder om at spille på et musikinstrument, hvor der genereres forskellige harmoniske på samme tid," siger Stefan Rotter. "Vi var i stand til at vise, at koblingen mellem atomet og disse forskellige oscillerende tilstande kan tilpasses på en sådan måde, at fotonen næsten helt sikkert overføres fra det ene atom til det andet - helt anderledes end hvad der ville være tilfældet i frit rum ."
Når atomet har absorberet fotonen, efterlades det i en tilstand af højere energi, indtil det genudsender fotonen efter meget kort tid. Så starter spillet forfra:de to atomer bytter roller, og fotonen returneres fra modtageratomet til det oprindelige afsenderatom – og så videre.
Effekten er blevet demonstreret teoretisk, men praktiske test er mulige med nutidens teknologi. "I praksis kunne effektiviteten øges endnu mere ved at bruge ikke bare to atomer, men to grupper af atomer," siger Stefan Rotter. "Konceptet kunne være et interessant udgangspunkt for kvantekontrolsystemer til at studere effekter ved ekstremt stærk lys-stof-interaktion."
Værket er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .
Flere oplysninger: Oliver Diekmann et al., Ultrafast Excitation Exchange in a Maxwell Fish-Eye Lens, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.013602
Journaloplysninger: Physical Review Letters
Leveret af Vienna University of Technology
Varme artikler
-
Demonstrer Mpemba-effekten i en kontrolleret indstillingSkematisk over energilandskabet og Boltzmann-fordelingen for Mpemba-effekten. Kredit: Natur (2020). DOI:10.1038/s41586-020-2560-x Et par fysikere ved Simon Fraser University har udviklet et midde -
Maskinlæring knækker kvantekemiens gådeDen tetraedriske elektroniske fordeling af et vandmolekyle. Iltatomkernen er i centrum af tetraederet, og brintkernerne er i midten af de lyserøde kugler. Simons Fond. Kredit:Simons Fond Et nyt -
Nye muligheder hos NSLS-II skal fremme materialevidenskabenEt nærbillede af Hard X-ray Nanoprobe — beamline 3-ID ved NSLS-II. Kredit:Brookhaven National Laboratory Ved at kanalisere intensiteten af røntgenstråler, synkrotron lyskilder kan afsløre atomst -
Harvard-team opretter et kold-atom Fermi-Hubbard antiferromagnetUndersøgelse af antiferromagnetisme i Hubbard-modellen med et kvantegasmikroskop. en, Skematisk af det todimensionelle Hubbard fasediagram, inklusive forudsagte faser. b, Forsøgsopstilling. c, Eksempl
- Nye sonder af den stærke kraft:Præcisions jetunderbygning og Lund jetflyet
- Første bevis for tidlige sutteflasker brugt til at fodre dyremælk til forhistoriske babyer
- Teoretisk analyse afdækker nye mekanismer i plasmaturbulens
- Tilbage fra de døde:Græske hjem i Airbnb-feber
- Døden i det 21. århundrede:Vores digitale efterliv
- Trækker, ikke skubbe, silke kunne revolutionere, hvordan grønnere materialer fremstilles