Pierwszy na świecie fotoniczny układ scalony do manipulacji atomami

Elektroniczne układy scalone są prawdopodobnie najważniejszą technologią XX wieku. Umożliwiając m.in. branżę komputerową, w niespotykanym dotąd stopniu zmieniły sposób, w jaki pracujemy i bawimy się.

Fotoniczne odpowiedniki tych urządzeń były równie trudne do opracowania i są szeroko stosowane do manipulowania i kontrolowania sygnałów w światłowodach. Ale można śmiało powiedzieć, że jeszcze nie osiągnęli swojego pełnego potencjału.

Jedną z możliwości obciążonych potencjałem jest zdolność światła do manipulowania poszczególnymi atomami i wpływania na nie. Fizycy regularnie używają światła do wychwytywania atomów i jonów w imię nauki. Ma to wiele ważnych zastosowań, od komunikacji kwantowej po odczytywanie czasu.

Ale urządzenia, które to wszystko robią, są poza zasięgiem nikogo, kto ma pecha, by nie posiadać dobrze wyposażonego laboratorium optycznego.

Fotoniczne układy scalone mogą to zmienić. Oferują one możliwość wykorzystania światła do manipulowania pojedynczymi atomami w małych, samodzielnych jednostkach, które są stosunkowo tanie w wykonaniu i łatwe w obsłudze.

Dziś Jeff Kimble z California Institute of Technology w Pasadenie i kilku kumpli twierdzą, że zbudowali pierwszy przykład takiego urządzenia. Relacjonujemy rozwój pierwszego zintegrowanego układu optycznego z kryształem fotonicznym, który jest w stanie zarówno lokalizować, jak i łączyć atomy z kierowanymi fotonami w urządzeniu.

Kryształy fotoniczne są przydatne, ponieważ ich właściwości optyczne są określone przez geometrię fizyczną, wielkość falowodu i tak dalej. Pozwala to na ich precyzyjne dostrojenie do przenoszenia tylko określonych długości fal światła.

Nowe urządzenie to kryształ fotoniczny wykonany z azotku krzemu, który działa jak falowód dla światła laserowego. Sztuczka, którą Kimble i spółka udoskonalili, polega na skonstruowaniu go tak, aby przenosił światło dostrojone do pewnych przejść atomowych w cezie. Kiedy atom cezu absorbuje i rozprasza te fale, proces generuje siły, które można wykorzystać do uwięzienia atomu i manipulowania nim.

Kryształ fotoniczny jest zintegrowany z systemem, który zapewnia gotową dostawę atomów cezu, a wynikiem jest układ scalony zdolny do manipulowania poszczególnymi atomami cezu.

Kimble i spółka poddali to testom i twierdzą, że działa dobrze i oferuje ogromny potencjał. Integracja nanofotoniki i fizyki atomowej jest od dawna oczekiwanym celem, który otworzyłby nowe granice dla fizyki optycznej, twierdzą naukowcy.

Aplikacje są liczne. Tego rodzaju urządzenie będzie ważnym elementem wysokiej jakości obliczeń kwantowych i komunikacji, ponieważ atomy mogą przechowywać informacje przenoszone przez fotony i manipulować nimi.

Ale atomy mogą również zachowywać się jak inne elementy optyczne, emitując światło z niemal idealną wydajnością lub odbijając je jak lustro. A wiele atomów wchodzących w interakcje ze sobą iz fotonami powinno zapewnić fizykom interesujące możliwości eksperymentalne. Silna zależność między reakcją optyczną a dużymi siłami optycznymi wielu zwierciadeł atomowych może prowadzić do interesujących zachowań optomechanicznych, takich jak samoorganizacja, powiedzmy Kimble i spółka.

Jest to więc interesujące urządzenie sprawdzające zasady, które może umożliwić nową generację eksperymentów nanofotonicznych. Na tym etapie trudno argumentować, że tego rodzaju zintegrowane układy fotoniczne będą stanowić wnętrzności urządzeń masowo produkowanych, tak jak zrobiły to układy scalone. Ale równie trudno jest argumentować, że nigdy nie będą. Tylko czas powie!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1312.3446 : Oddziaływania między atomem a światłem w kryształach fotonicznych

ukryć