Envejs gade i nanoskala til lys

En optisk enhed i nanoskala, der tillader lys at passere i kun en retning, er blevet udviklet på TU Wien (Wien). Den består af alkali -atomer, der er koblet til ultratynde glasfibre.

Hvis lyset kan sprede sig fra venstre mod højre, den modsatte retning er normalt også tilladt. En lysstråle kan normalt sendes tilbage til sit udgangspunkt, bare ved at reflektere det på et spejl. Forskere ved TU Wien har udviklet en ny enhed til at bryde denne regel. Ligesom i en elektrisk diode, som tillader strøm kun at passere i en retning, denne glasfiberbaserede enhed sender kun lys i én retning. Envejsreglen gælder, selvom lyspulsen, der passerer gennem fiberen, kun består af få fotoner. En sådan envejs-gade til lys kan nu bruges til optiske chips og kan dermed blive vigtig for optisk signalbehandling.

Optisk signalbehandling i stedet for elektronik

Elementer, der tillader lyset at passere i kun en retning, kaldes "optiske isolatorer". "I princippet, sådanne komponenter har eksisteret i lang tid ", siger Arno Rauschenbeutel, fra Wien Center for Quantum Science and Technology på Atominstitut ved TU Wien. "De fleste optiske isolatorer, imidlertid, er baseret på Faraday -effekten:Et stærkt magnetfelt påføres et transparent materiale mellem to krydsede polarisationsfiltre. Magnetfeltets retning bestemmer derefter i hvilken retning lyset må passere. "

Af tekniske årsager, enheder, der bruger Faraday -effekten, kan ikke konstrueres på nanoskalaen - en uheldig kendsgerning, fordi dette ville have mange interessante applikationer. "I dag, forskere søger at bygge optiske integrerede kredsløb, ligner deres elektroniske modparter ", siger Rauschenbeutel. Andre metoder til at bryde denne symmetri virker kun ved meget høje intensiteter. Men inden for nanoteknologi, et ultimativt mål er at arbejde med ekstremt svage lyssignaler, som endda kan bestå af individuelle fotoner.

Glasfibre og atomer

Arno Rauschenbeutels team valgte en helt anden tilgang:Alkali -atomer blev koblet til lysfeltet i en ultratynd glasfiber. I en glasfiber, lyset kan forplante sig frem eller tilbage. Der er, imidlertid, en anden egenskab ved lys, der skal tages i betragtning:lysbølgens oscillationsretning, også kaldet polarisering.

Interaktionen mellem lys og glasfiber ændrer lysets oscillationstilstand. "Polarisationen roterer, meget gerne en helikopters rotor ", siger Arno Rauschenbeutel. Rotationsfølelsen afhænger af, om lyset bevæger sig frem eller tilbage. I et tilfælde, lysbølgen svinger med uret og i den anden, mod uret. Udbredelsesretningen og lysbølgens oscillationstilstand er låst til hinanden.

Hvis alkali -atomer fremstilles i den rigtige kvantetilstand og kobles til lyset i den ultratynde glasfiber, det er muligt at få dem til at reagere forskelligt på de to sanser af lysrotation. "Lyset i fremadgående retning påvirkes ikke af atomerne. Imidlertid, lys, der bevæger sig baglæns og følgelig roterer omvendt, kobler sig til alkali -atomer og er spredt ud af glasfiberen ", siger Arno Rauschenbeutel.

Atomtilstanden som en kvantekontakt

Denne effekt er blevet demonstreret på to forskellige måder på TU Wien:I den første tilgang, omkring 30 atomer blev placeret langs glasfiberen. Ved indsendelse af lys, en høj transmission på næsten 80% blev målt for den ene formeringsretning, mens den var ti gange mindre i den anden retning. I den anden tilgang, kun et enkelt rubidiumatom blev brugt. I dette tilfælde, lyset blev midlertidigt lagret i en optisk mikroresonator, så det kunne interagere med atomet i relativt lang tid. Denne måde, lignende kontrol over transmissionen kunne opnås.

"Når vi kun bruger et enkelt atom, vi har en meget mere subtil kontrol over processen ", siger Rauschenbeutel. "Man kan forberede atomet i en kvantesuperposition af de to mulige tilstande, så det blokerer lyset og lader det passere på samme tid. "Ifølge klassisk fysik, dette ville være umuligt, men kvantefysik tillader sådanne kombinationer. Dette ville åbne døren for nye, spændende muligheder for optisk behandling af kvanteinformation.