Художественная визуализация лазерного удара по атомам в оптическом резонаторе.
Предоставлено: Студия Эллы Мару.

CIT был обнаружен путем удержания атомов иттербия внутри оптического резонатора — по сути, крошечной коробки для света — и взрыва их лазером. Хотя свет лазера будет отражаться от атомов до определенной точки, по мере регулировки частоты света появляется окно прозрачности, в котором свет просто беспрепятственно проходит через полость.

«Мы никогда не знали, что такое окно прозрачности существует», — говорит Андрей Фараон из Калифорнийского технологического института (BS '04), профессор прикладной физики и электротехники Уильяма Л. Валентайна и соавтор статьи об открытии, которая была опубликована 26 апреля в журнал Природа. «Наше исследование в первую очередь превратилось в путешествие, чтобы выяснить, почему».

Анализ окна прозрачности указывает на то, что оно является результатом взаимодействия в полости между группами атомов и светом. Это явление похоже на деструктивную интерференцию, при которой волны от двух или более источников могут компенсировать друг друга. Группы атомов постоянно поглощают и переизлучают свет, что обычно приводит к отражению света лазера. Однако на частоте CIT существует баланс, создаваемый переизлучением света каждым из атомов в группе, что приводит к падению отражения.

«Ансамбль атомов, сильно связанных с одним и тем же оптическим полем, может привести к неожиданным результатам», — говорит соавтор Ми Лей, аспирант Калифорнийского технологического института.

Оптический резонатор длиной всего 20 микрон и элементами размером менее 1 микрона был изготовлен в Институте нанотехнологий Кавли Калифорнийского технологического института.

«С помощью обычных методов измерения квантовой оптики мы обнаружили, что наша система достигла неизведанного режима, открывая новую физику», — говорит аспирант Рикуто Фукумори, соавтор статьи.

Помимо явления прозрачности, исследователи также заметили, что совокупность атомов может поглощать и излучать свет от лазера либо намного быстрее, либо намного медленнее по сравнению с одним атомом в зависимости от интенсивности лазера. Эти процессы, называемые сверхизлучением и субизлучением, и лежащая в их основе физика до сих пор плохо изучены из-за большого количества взаимодействующих квантовых частиц.

«Мы смогли отслеживать и контролировать квантово-механические взаимодействия света и материи на наноуровне», — говорит соавтор Джунхи Чой, бывший научный сотрудник Калифорнийского технологического института, а ныне доцент Стэнфордского университета.

Хотя исследование в первую очередь является фундаментальным и расширяет наше понимание таинственного мира квантовых эффектов, это открытие может однажды помочь проложить путь к более эффективной квантовой памяти, в которой информация хранится в ансамбле сильно связанных атомов. Фараон также работал над созданием квантового хранилища, манипулируя взаимодействием нескольких атомов ванадия.

«Помимо воспоминаний, эти экспериментальные системы дают важную информацию о будущих связях между квантовыми компьютерами», — говорит Мануэль Эндрес, профессор физики и стипендиат Розенберга, который является соавтором исследования.