Physiker haben den leichtesten optischen Spiegel aller Zeiten entwickelt - bestehend aus einer einzelnen Schicht von einigen hundert Atomen - gemäß a neue Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Natur .
VERBINDUNG: QUANTUMFLUKTUATIONEN BEEINFLUSSEN DIE 88-PUNKT-SPIEGEL VON MIT AUF MAKROSKOPISCHER EBENE
Leichtester optischer Spiegel nur Hunderte von Atomen
Dieser optische Spiegel, der aus einem neuartigen Metamaterial besteht und aus einer singulär strukturierten Schicht aus einigen hundert identischen Atomen besteht, wurde von Physikern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik MPQ entwickelt.
Die Atome wurden in der zweidimensionalen Anordnung eines optischen Gitters organisiert, das mit störende Laserstrahlen . Diese Forschung lieferte die ersten experimentellen Beobachtungen dieser Art im entstehenden Bereich der Subwellenlängen-Quantenoptik mit geordneten Atomen. entsprechend zu phys.org.
In der Regel verwenden Spiegel hochglanzpolierte Metalloberflächen - oder optische Gläser mit einer speziellen Beschichtung, um die Leistung bei extrem geringen Gewichten zu verbessern. Die Physiker von MPQ haben jedoch erstmals bewiesen, dass eine einzelne strukturierte Schicht von einigen hundert vorhanden istAtome reichen aus, um einen funktionierenden optischen Spiegel zu bilden.
Der neue Spiegel ist nur einige zehn Nanometer dünn - 1000-mal dünner als ein menschliches Haar. Seine Größe täuscht jedoch, weil seine Reflexion so stark ist, dass wir ihn mit bloßem Auge sehen können.
Mechanismen, nicht Magie, machen den Quantenspiegel
Der neue optische Spiegel verwendet identische Atome, die in einem zweidimensionalen Array organisiert sind. Sie sind in einem normalen Muster mit einem Atom-zu-Atom-Abstand angeordnet, der kleiner als die optische Übergangswellenlänge des Atoms ist - ein Merkmal, das sowohl notwendig als auch typisch für Metamaterialien ist.
Metamaterialien sind synthetische oder künstlich entworfene Strukturen mit äußerst spezifischen Eigenschaften, die in der Natur selten zu finden sind. Ihre Eigenschaften beruhen nicht auf der Zusammensetzung, sondern auf den Strukturen, zu denen sie geformt wurden.
Ihre Eigenschaften - dieses regelmäßige Muster mit Subwellenlängenabstand - und ihr Zusammenspiel sind die beiden entscheidenden Merkmale, die den neuartigen optischen Spiegel zu seiner Magie machen.
Erstens unterdrückt der Subwellenlängenabstand der Atome zusammen mit dem regulären Muster zusammen eine diffuse Lichtstreuung, die die Reflexion zu einem einseitigen und sehr gleichmäßigen Lichtstrahl zusammenfasst.
Das zweite wichtige Merkmal bei der Arbeit sind die relativ engen und diskreten Abstände zwischen Atomen, die es dem einfallenden Photon ermöglichen, mehrmals zwischen Atomen hin und her zu springen, bevor es in den Lichtstrom reflektiert wird.
Beide Effekte - die das Aufprallen von Photonen zusammen mit der Neigung des Lichts zur Streuung unterdrücken - führen zu einer "verstärkten kooperativen Reaktion auf das äußere Feld" - mit anderen Worten, einer starken und stetigen Reflexion, die wir mit unseren Augen sehen können.
Fortgesetzte Fortschritte, effizientere Quantengeräte
Während die Reflexion bei einem Durchmesser von ungefähr 7 Mikrometern sichtbar ist, ist der Spiegel selbst viel zu klein, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Aber die Maschine, in der er sich befindet, ist gigantisch. Ähnlich wie bei anderen quantenoptischen Experimentenenthält mehr als tausend einzelne optische Komponenten und wiegt ungefähr 2 Tonnen. Aus diesem Grund wird das neuartige Metamaterial wahrscheinlich keinerlei Auswirkungen auf die Warenspiegel haben, die die Menschen täglich verwenden. Die wissenschaftlichen Auswirkungen der Entwicklung könnten jedoch weitreichend sein.erreichen.
"Die Ergebnisse sind für uns sehr aufregend. Wie in typischen Ensembles mit verdünnter Masse werden photonenvermittelte Korrelationen zwischen Atomen, die eine wichtige Rolle in unserem System spielen, in traditionellen quantenoptischen Theorien normalerweise vernachlässigt. Andererseits geordnete Arraysvon Atomen, die durch Laden ultrakalter Atome in optische Gitter hergestellt wurden, wurden hauptsächlich zur Untersuchung von Quantensimulationen kondensierter Modelle genutzt. Jetzt stellt sich heraus, dass es sich auch um eine leistungsstarke Plattform handelt, um die neuen quantenoptischen Phänomene zu untersuchen ", sagte Jun Rui, Erstautor desPapier und Forscher.
"Es wurden viele neue aufregende Möglichkeiten eröffnet, beispielsweise ein faszinierender Ansatz zur Untersuchung der Quantenoptomechanik, der ein wachsendes Feld für die Untersuchung der Quantennatur von Licht mit mechanischen Geräten darstellt. Oder unsere Arbeit könnte auch dazu beitragen, bessere Quantenspeicher zu schaffen odersogar einen quantenschaltbaren optischen Spiegel bauen ", fügte der Doktorand und Zweitautor David Wei hinzu." Beides sind interessante Fortschritte für die Quanteninformationsverarbeitung. "
Obwohl dies alles aufregend ist, könnte mehr Forschung auf diesem Gebiet unser grundlegendes Verständnis der Quantentheorien über die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die Vielkörperphysik optischer Photonen und Ingenieure dabei unterstützen, effizienter zu arbeiten. Quantengeräte .