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Mit der Optimierung optischer Resonatoren erhalten Forscher die Kontrolle über die Transparenz

Im Quantenbereich kann Licht unter bestimmten Umständen und mit den richtigen Interferenzmustern durch opake Medien gelangen.

Dieses Merkmal des Lichts ist mehr als ein mathematischer Trick. Optischer Quantenspeicher, optischer Speicher und andere Systeme, die von Wechselwirkungen von nur wenigen Photonen gleichzeitig abhängen, beruhen auf dem Prozess, der als elektromagnetisch induzierte Transparenz bezeichnet wird und auch als EIT bezeichnet wird.

Aufgrund seiner Nützlichkeit in bestehenden und aufkommenden quanten- und optischen Technologien sind Forscher an der Fähigkeit interessiert, die EIT ohne Einführung eines äußeren Einflusses zu manipulieren, beispielsweise durch zusätzliche Photonen, die das bereits empfindliche System stören könnten. Jetzt haben Forscher der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis ein vollständig enthaltenes optisches Resonatorsystem entwickelt, mit dem Transparenz ein- und ausgeschaltet werden kann, um ein Maß an Kontrolle zu ermöglichen, das Auswirkungen auf eine Vielzahl von Anwendungen hat .

Die Gruppe veröffentlichte die Ergebnisse der Forschung, die im Labor von Lan Yang, dem Edwin H. & Florence G. Skinner-Professor am Preston M. Green Department für Elektrotechnik und Systemtechnik durchgeführt wurde, in einem Artikel mit dem Titel Elektromagnetisch induzierte Transparenz an einem Chiral Ausnahmepunkt in der Ausgabe der Naturphysik vom 13. Januar 2020.

Ein optisches Resonatorsystem ist analog zu einem elektronischen Resonanzkreis, verwendet jedoch Photonen anstelle von Elektronen. Resonatoren gibt es in verschiedenen Formen, aber alle bestehen aus reflektierendem Material, das Licht für einen bestimmten Zeitraum einfängt, während es zwischen oder um seine Oberfläche hin und her springt. Diese Komponenten sind in Lasern und hochpräzisen Messgeräten enthalten.

Für ihre Forschung verwendete Yangs Team einen Resonatortyp, der als Flüstergalerie-Modus-Resonator (WGMR) bekannt ist. Es funktioniert ähnlich wie die Flüstergalerie in der St. Pauls Kathedrale, in der eine Person auf der einen Seite des Raums eine Person auf der anderen Seite flüstern hört. Was die Kathedrale mit Schall macht, tun WGMRs jedoch mit Licht, das Licht einfängt, wenn es entlang des gekrümmten Umfangs reflektiert und reflektiert wird.

In einem idealisierten System schneidet sich eine Glasfaserlinie mit einem Resonator, einem Ring aus Siliciumdioxid, tangential. Wenn ein Photon in der Linie auf den Resonator trifft, stürzt es ein, reflektiert und breitet sich entlang des Rings aus und tritt in der gleichen Richtung in die Faser aus, in der es ursprünglich geleitet wurde.

Die Realität ist jedoch selten so ordentlich.

“Die Herstellung in hochwertigen Resonatoren ist nicht perfekt”, sagte Yang. “Es gibt immer einen Defekt oder Staub, der das Licht streut.” Was tatsächlich passiert, ist, dass ein Teil des gestreuten Lichts die Richtung ändert, den Resonator verlässt und in die Richtung zurückkehrt, aus der er stammt. Die Streueffekte zerstreuen das Licht und verlassen das System nicht.

Stellen Sie sich eine Box um das System herum vor: Wenn das Licht von links in die Box eintritt und dann von der rechten Seite austritt, erscheint die Box transparent. Aber wenn das eintretende Licht gestreut würde und es nicht ausmachen würde, würde die Box undurchsichtig erscheinen.

Da Herstellungsfehler in Resonatoren inkonsistent und unvorhersehbar sind, war dies auch für die Transparenz der Fall. Licht, das in solche Systeme eindringt, streut und verliert letztendlich seine Stärke; es wird vom Resonator absorbiert, wodurch das System undurchsichtig wird.

In dem von den Ko-Erstautoren Changqing Wang, einem Doktoranden, und Xuefeng Jiang, einem Forscher in Yangs Labor, entwickelten System gibt es zwei WGMRs, die indirekt über eine Glasfaserleitung gekoppelt sind. Der erste Resonator ist von höherer Qualität und weist nur eine Unvollkommenheit auf. Wang fügte dem hochwertigen Resonator ein winziges spitzes Material hinzu, das wie ein Nanopartikel wirkt. Durch Bewegen des provisorischen Partikels konnte Wang es „abstimmen“ und die Art und Weise steuern, wie das Licht im Inneren gestreut wird.

Wichtig ist, dass er den Resonator auch auf einen sogenannten „außergewöhnlichen Punkt“ abstimmen konnte, an dem nur ein einziger Zustand existieren kann. In diesem Fall ist der Zustand die Lichtrichtung im Resonator: im oder gegen den Uhrzeigersinn.

Für das Experiment richteten die Forscher Licht von links auf ein Paar indirekt gekoppelter Resonatoren (siehe Abbildung). Die Lichtwelle trat in den ersten Resonator ein, der „abgestimmt“ war, um sicherzustellen, dass das Licht im Uhrzeigersinn wanderte. Das Licht wurde um den Umfang herum reflektiert, trat dann aus und setzte sich entlang der Faser zum zweiten Resonator geringerer Qualität fort.

Dort wurde das Licht durch die Unvollkommenheiten des Resonators gestreut und ein Teil davon begann sich gegen den Uhrzeigersinn entlang des Umfangs zu bewegen. Die Lichtwelle kehrte dann zur Faser zurück, ging aber zurück zum ersten Resonator.

Entscheidend ist, dass die Forscher das Nanopartikel im ersten Resonator nicht nur verwendeten, um die Lichtwellen im Uhrzeigersinn zu bewegen, sondern es auch so abstimmten, dass sich bei der Ausbreitung der Lichtwellen zwischen den Resonatoren ein spezielles Interferenzmuster bilden würde. Infolge dieses Musters wurde das Licht in den Resonatoren sozusagen aufgehoben, so dass das entlang der Faser wandernde Licht durchscheinen konnte, wodurch das System transparent wurde.

Es wäre, als würde jemand ein Licht auf eine Mauer werfen – kein Licht würde durchkommen. Aber dann leuchtete eine andere Person mit einer anderen Taschenlampe an derselben Stelle, und plötzlich wurde diese Stelle in der Wand durchsichtig.

Eine der wichtigsten und interessantesten Funktionen von EIT ist die Fähigkeit, „langsames Licht“ zu erzeugen. Die Lichtgeschwindigkeit ist immer konstant, aber der tatsächliche Wert dieser Geschwindigkeit kann sich basierend auf den Eigenschaften des Mediums ändern, durch das es sich bewegt. Im Vakuum bewegt sich Licht immer mit 300.000.000 Metern pro Sekunde.

Mit EIT haben die Menschen das Licht auf acht Meter pro Sekunde verlangsamt, sagte Wang. „Das kann einen erheblichen Einfluss auf die Speicherung von Lichtinformationen haben. Wenn das Licht verlangsamt wird, haben wir genügend Zeit, um die codierten Informationen für optische Zwecke zu verwenden Quanten-Computing oder optische Kommunikation. ” Wenn Ingenieure die EIT besser steuern können, können sie sich bei diesen Anwendungen zuverlässiger auf langsames Licht verlassen.

Die Manipulation der EIT könnte auch bei der Entwicklung der Fernkommunikation eingesetzt werden. Ein Abstimmresonator kann indirekt mit demselben kilometerweit entfernten Resonator entlang desselben Glasfaserkabels gekoppelt werden. “Sie könnten das durchgelassene Licht auf der ganzen Linie ändern”, sagte Yang.

Dies könnte unter anderem für die Quantenverschlüsselung kritisch sein.

Referenz: „Elektromagnetisch induzierte Transparenz an einem chiralen Ausnahmepunkt“ von Changqing Wang, Xuefeng Jiang, Guangming Zhao, Mengzhen Zhang, Chia Wei Hsu, Bo Peng, A. Douglas Stone, Liang Jiang und Lan Yang, 13. Januar 2020, Naturphysik.
DOI: 10.1038 / s41567-019-0746-7

Zum Forschungsteam gehörten auch Mitarbeiter von Yale Universität, Universität von Chicago und der University of Southern California.