Verdens første fotoniske integrerede kredsløb til manipulation af atomer

Elektroniske integrerede kredsløb er uden tvivl den mest betydningsfulde teknologi i det 20. århundrede. Ved at aktivere blandt andet computerindustrien har de ændret måden, vi arbejder og spiller på, i et hidtil uset omfang.

De fotoniske ækvivalenter af disse enheder har været lige så udfordrende at udvikle og bruges i vid udstrækning til at manipulere og kontrollere signalerne i optiske fibre. Men det er rimeligt at sige, at de endnu ikke har nået deres fulde potentiale.

En mulighed, der er gravid med potentiale, er lysets evne til at manipulere og påvirke individuelle atomer. Fysikere bruger jævnligt lys til at fange atomer og ioner i videnskabens navn. Dette har alle mulige vigtige applikationer fra kvantekommunikation til at fortælle tiden.

Men de enheder, der gør alt dette, er langt uden for rækkevidde af enhver, der er uheldig nok til ikke at eje et veludstyret optiklaboratorium.

Fotoniske integrerede kredsløb kunne ændre det. De giver mulighed for at bruge lys til at manipulere individuelle atomer i små selvstændige enheder, der er relativt billige at lave og nemme at betjene.

I dag siger Jeff Kimble ved California Institute of Technology i Pasadena og et par venner, at de har bygget det første eksempel på sådan en enhed. Vi rapporterer udviklingen af ​​det første integrerede optiske kredsløb med en fotonisk krystal, der er i stand til både at lokalisere og forbinde atomer med guidede fotoner i enheden, siger de.

Fotoniske krystaller er nyttige, fordi deres optiske egenskaber er bestemt af den fysiske geometri, størrelsen af ​​bølgelederen og så videre. Dette giver dem mulighed for at være præcist indstillet til kun at bære bestemte bølgelængder af lys.

Den nye enhed er en fotonisk krystal lavet af siliciumnitrid, der fungerer som en bølgeleder for laserlys. Tricket, som Kimble og co har perfektioneret, er at konstruere det til at bære lys, der er indstillet til visse atomare overgange i cæsium. Når et cæsiumatom absorberer og spreder disse bølgelængder, genererer processen kræfter, der kan bruges til at fange og manipulere atomet.

Den fotoniske krystal er integreret i et system, der giver en klar forsyning af cæsiumatomer, og resultatet er et integreret kredsløb, der er i stand til at manipulere individuelle cæsiumatomer.

Kimble og co har sat det igennem og siger, at det fungerer godt og byder på et kæmpe potentiale. Integrationen af ​​nanofotonik og atomfysik har været et længe søgt mål, der ville åbne nye grænser for optisk fysik, siger de.

Ansøgningerne er talrige. Denne form for enhed vil være en vigtig byggesten af ​​høj kvalitet til kvanteberegning og kommunikation, da atomerne kan lagre og manipulere information båret af fotoner.

Men atomerne kan også fungere som andre slags optiske komponenter, udsende lys med næsten perfekt effektivitet eller reflektere det som et spejl. Og at have mange atomer, der interagerer med hinanden og med fotoner, burde give nogle interessante eksperimentelle muligheder for fysikere. Det stærke samspil mellem den optiske respons og store optiske kræfter fra mange atomare spejle kan give anledning til interessant opto-mekanisk adfærd, såsom selvorganisering, siger Kimble og co.

Så det er en interessant proof-of-princip-enhed, der kunne muliggøre en ny generation af nanofotoniske eksperimenter. Det er svært at argumentere på nuværende tidspunkt for, at disse former for integrerede fotoniske kredsløb vil udgøre det indre af masseproducerede enheder, som integrerede elektroniske kredsløb har gjort. Men det er lige så svært at argumentere for, at de aldrig vil. Det vil tiden vise!

Ref: arxiv.org/abs/1312.3446 : Atom-lys-interaktioner i fotoniske krystaller

skjule