Het is niet eenvoudig om een ​​enkel lichtdeeltje te weerkaatsen van een enkel atoom dat minder dan een miljardste van een meter breed is. Echter, onderzoekers van het Center for Quantum Technologies van de National University of Singapore hebben aangetoond dat ze de kans op succes kunnen verdubbelen, een innovatie die nuttig kan zijn in quantum computing en metrologie. De bevindingen zijn op 31 oktober gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In hun experiment hebben onderzoekers Chin Yue Sum, Matthias Steiner en Christian Kurtsiefer vuurden een rode laser af op een zorgvuldig ingesloten Rubidium-atoom. Ze vergeleken hoeveel van het licht wordt verstrooid als het licht uit slechts één richting komt, versus wanneer het uit twee komt.

"Als een atoom een ​​foton uitzendt, het foton kan alle kanten op. Ons idee is dat om sterkere interacties tussen enkele fotonen en enkele atomen te krijgen, we willen omkeren wat het atoom ook doet. Dus hier komt de verlichting uit alle richtingen, ", legt Steiner uit.

Eerst, ze focusten de rode laser door een sterk focusserende lens die voor het atoom was geplaatst. Het atoom werd zo gemanoeuvreerd dat het in het brandpunt van de lens lag. In deze configuratie, ongeveer 1 op de 5 laserfotonen kaatste terug op het atoom.

Volgende, het team splitste de laserstraal, zenden half rond de voorkant en half rond de achterkant van het atoom. Achteraan, de laser ging opnieuw door een sterk focussende lens om het atoom te bereiken.

Deze dubbele lensconfiguratie staat bekend als 4Pi-microscopie. Het is een beeldvormingstechniek met superresolutie, uitgevonden door Nobelprijswinnaar Stefan Hell. De naam komt van de manier waarop hoeken in drie dimensies worden beschreven:vier π beschrijft een volledige bol.

Met het licht dat er van beide kanten op valt, het atoom verspreidde zich rond 2 op de 5 fotonen - het dubbele van wat werd gezien met slechts één lens.

Het atoom veranderde niet alleen de richting van de fotonen, maar ook hun afstand. Bij laserlicht, fotonen zijn willekeurig verdeeld, sommige komen dicht bij elkaar aan en andere worden gescheiden door grote gaten. Het team ontdekte dat na het passeren van het atoom, de fotonen kwamen minder snel samen. Dit is het bewijs van een interactie tussen de atomen en fotonen die 'niet-lineair' is.

"Er is veel natuurkunde om te onderzoeken in niet-lineaire interacties met fotonen, ", zegt Chin. Het effect is cruciaal voor het verwerken van informatie die is opgeslagen in licht, bijvoorbeeld in optische kwantumcomputers.