Nano-rondo dla światła

Anonim

Podobnie jak w normalnym ruchu drogowym, przejścia są niezbędne w przetwarzaniu sygnałów optycznych. Aby uniknąć kolizji, wymagana jest przejrzysta zasada ruchu. W TU Wien opracowano nową metodę dostarczania takiej reguły dla sygnałów świetlnych. W tym celu dwa włókna szklane zostały połączone w punkcie przecięcia z rezonatorem optycznym, w którym światło krąży i zachowuje się jak na rondzie. Kierunek cyrkulacji jest określony przez pojedynczy atom sprzężony z rezonatorem. Atom zapewnia również, że światło zawsze opuszcza rondo przy następnym wyjściu. Zasada ta jest nadal ważna, nawet jeśli światło składa się tylko z pojedynczych fotonów. Takie rondo będzie konsekwentnie instalowane w zintegrowanych układach optycznych - ważnym kroku do przetwarzania sygnałów optycznych.

Przetwarzanie sygnału za pomocą światła zamiast elektroniki

Określenie "cyrkulatory optyczne" odnosi się do elementów w punkcie przecięcia dwóch wzajemnie prostopadłych włókien optycznych, które kierują sygnały świetlne z jednego włókna do drugiego, tak że kierunek światła zawsze zmienia się, na przykład, o 90 ° w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

"Elementy te od dawna są używane do swobodnego propagowania wiązek światła", mówi Arno Rauschenbeutel z Vienna Center for Quantum Science and Technology w Instytucie Fizyki Atomowej i Subatomowej w TU Wien. "Takie cyrkulatory optyczne są w większości oparte na tzw. Efekcie Faradaya: silne pole magnetyczne jest stosowane do przezroczystego materiału, który znajduje się pomiędzy dwoma rozdzielaczami wiązki polaryzacji, które obracają się względem siebie. symetria i określa kierunek, w którym światło jest przekierowywane. "

Jednak ze względów technicznych komponenty wykorzystujące efekt Faradaya nie mogą być realizowane w niewielkiej skali nanotechnologii. To niefortunne, ponieważ takie elementy są ważne dla przyszłych zastosowań technologicznych. "Dzisiaj próbujemy budować optyczne układy scalone o podobnych funkcjach, jakie są znane z elektroniki" - mówi Rauschenbeutel. Inne metody łamania symetrii światła działają tylko przy bardzo wysokich natężeniach światła lub cierpią z powodu wysokich strat optycznych. Jednak w nanotechnologii chcielibyśmy móc przetwarzać bardzo małe sygnały świetlne, najlepiej impulsy świetlne składające się wyłącznie z pojedynczych fotonów.

Dwa włókna szklane i butelka na światło

Zespół Arno Rauschenbeutel wybiera zupełnie inny sposób: łączą pojedynczy atom rubidu z polem światła tak zwanego "rezonatora butelek" - mikroskopijnego bulwiastego obiektu szklanego, na powierzchni którego krąży światło. Jeżeli taki rezonator jest umieszczony w pobliżu dwóch ultracienkich włókien szklanych, dwa systemy łączą się ze sobą. Bez atomu światło zmienia się z jednego włókna szklanego na drugi za pomocą rezonatora butelkowego. W ten sposób jednak dla cyrkulatora nie jest zdefiniowane poczucie cyrkulacji: światło, które odchyla się o 90 ° w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, może również cofać się tą samą drogą, tzn. W kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Aby przełamać tę symetrię do przodu / do tyłu, zespół Arno Rauschenbeutela sprzęga dodatkowo atom z rezonatorem, co zapobiega sprzężeniu światła z rezonatorem, a tym samym przenikaniu do drugiego włókna szklanego dla jednego z dwóch kierunków cyrkulacji. W przypadku tej sztuczki w TU Wien używana jest specjalna właściwość światła: kierunek oscylacji fali świetlnej, znany również jako polaryzacja.

Interakcja między falą świetlną i rezonatorem butelek powoduje niezwykły stan oscylacji. "Polaryzacja obraca się jak wirnik śmigłowca" - wyjaśnia Arno Rauschenbeutel. Kierunek obrotu zależy od tego, czy światło w rezonatorze porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, czy przeciwnie do ruchu wskazówek zegara: w jednym przypadku polaryzacja obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, podczas gdy w drugim przypadku obraca się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Kierunek cyrkulacji i polaryzacja światła są zatem ze sobą powiązane.

Jeśli atom rubidu jest prawidłowo przygotowany i sprzężony z rezonatorem, można dokonać jego interakcji ze światłem różnym dla dwóch kierunków cyrkulacji. "Atom nie ma wpływu na obiegowe światło, które z drugiej strony silnie sprzęga się z atomem i dlatego nie może wejść do rezonatora" - mówi Arno Rauschenbeutel. Ta asymetria sprzężenia światła-atomu w odniesieniu do kierunku propagacji światła w rezonatorze pozwala na kontrolę nad działaniem cyrkulatora: pożądane odczucie krążenia można regulować poprzez wewnętrzny stan atomu.

"Ponieważ używamy tylko jednego atomu, możemy subtelnie kontrolować proces" - mówi Rauschenbeutel. "Atom może być przygotowany w stanie, w którym obie reguły ruchu obowiązują w tym samym czasie: wszystkie cząstki światła następnie przemieszczają się razem przez cyrkulator w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara." Na szczęście nie jest to możliwe zgodnie z zasadami fizyki klasycznej, ponieważ spowodowałoby to chaos w ruchu drogowym. W fizyce kwantowej dozwolone są takie superpozycje różnych stanów, co otwiera całkowicie nowe i ekscytujące możliwości optycznego przetwarzania informacji kwantowej.

menu
menu