211service.com
's Werelds eerste fotonische geïntegreerde schakeling voor het manipuleren van atomen
Elektronische geïntegreerde schakelingen zijn misschien wel de belangrijkste technologie van de 20e eeuw. Door onder meer de computerindustrie mogelijk te maken, hebben ze de manier waarop we werken en spelen in een ongekende mate veranderd.
De fotonische equivalenten van deze apparaten waren even uitdagend om te ontwikkelen en worden veel gebruikt om de signalen in optische vezels te manipuleren en te controleren. Maar het is eerlijk om te zeggen dat ze hun volledige potentieel nog niet hebben bereikt.
Een mogelijkheid die potentieel bevat, is het vermogen van licht om individuele atomen te manipuleren en te beïnvloeden. Natuurkundigen gebruiken licht regelmatig om atomen en ionen te vangen in naam van de wetenschap. Dit heeft allerlei belangrijke toepassingen, van kwantumcommunicatie tot klokkijken.
Maar de apparaten die dit allemaal doen, liggen ver buiten het bereik van iemand die de pech heeft geen goed uitgerust optisch laboratorium te bezitten.
Fotonische geïntegreerde schakelingen kunnen daar verandering in brengen. Ze bieden de mogelijkheid om met licht individuele atomen te manipuleren in kleine op zichzelf staande eenheden die relatief goedkoop te maken en eenvoudig te bedienen zijn.
Vandaag zeggen Jeff Kimble van het California Institute of Technology in Pasadena en een paar vrienden dat ze het eerste voorbeeld van zo'n apparaat hebben gebouwd. We rapporteren de ontwikkeling van het eerste geïntegreerde optische circuit met een fotonisch kristal dat in staat is om atomen zowel te lokaliseren als te verbinden met geleide fotonen in het apparaat, zeggen ze.
Fotonische kristallen zijn nuttig omdat hun optische eigenschappen worden bepaald door de fysieke geometrie, de grootte van de golfgeleider enzovoort. Hierdoor kunnen ze nauwkeurig worden afgestemd om alleen bepaalde golflengten van licht te dragen.
Het nieuwe apparaat is een fotonisch kristal gemaakt van siliciumnitride dat fungeert als een golfgeleider voor laserlicht. De truc die Kimble en co hebben geperfectioneerd, is het te construeren om licht te dragen dat is afgestemd op bepaalde atomaire overgangen in cesium. Wanneer een cesiumatoom deze golflengten absorbeert en verstrooit, genereert het proces krachten die kunnen worden gebruikt om het atoom te vangen en te manipuleren.
Het fotonische kristal is geïntegreerd in een systeem dat zorgt voor een gemakkelijke toevoer van cesiumatomen en het resultaat is een geïntegreerde schakeling die individuele cesiumatomen kan manipuleren.
Kimble en co hebben het uitgeprobeerd en zeggen dat het goed werkt en een enorm potentieel biedt. De integratie van nanofotonica en atoomfysica is een lang gezocht doel geweest dat nieuwe grenzen zou openen voor optische fysica, zeggen ze.
De toepassingen zijn talrijk. Dit soort apparaat zal een belangrijke bouwsteen van hoge kwaliteit zijn voor kwantumberekening en communicatie, aangezien de atomen informatie die door fotonen wordt gedragen, kunnen opslaan en manipuleren.
Maar de atomen kunnen zich ook gedragen als andere optische componenten, waarbij ze licht uitstralen met bijna perfecte efficiëntie of het reflecteren als een spiegel. En het hebben van veel atomen die met elkaar en met fotonen in wisselwerking staan, zou fysici een aantal interessante experimentele mogelijkheden moeten bieden. De sterke wisselwerking tussen de optische respons en grote optische krachten van veel atomaire spiegels kan aanleiding geven tot interessant opto-mechanisch gedrag, zoals zelforganisatie, zeggen Kimble en co.
Dat is dus een interessant proof-of-principle-apparaat dat een nieuwe generatie nanofotonische experimenten mogelijk zou kunnen maken. Het is in dit stadium moeilijk te beweren dat dit soort geïntegreerde fotonische circuits de ingewanden zullen vormen van in massa geproduceerde apparaten, zoals geïntegreerde elektronische circuits hebben gedaan. Maar het is net zo moeilijk om te beweren dat ze dat nooit zullen doen. De tijd zal het leren!
Referentie: arxiv.org/abs/1312.3446 : Atom-lichtinteracties in fotonische kristallen