Licht kan in verschillende richtingen worden gericht, meestal ook terug op dezelfde manier. Natuurkundigen van de Universiteit van Bonn en de Universiteit van Keulen hebben, echter, geslaagd om een ​​nieuwe eenrichtingsstraat voor licht te creëren. Ze koelen fotonen af ​​tot een Bose-Einstein condensaat, waardoor het licht zich verzamelt in optische "dalen" waaruit het niet meer kan terugkeren. De bevindingen uit fundamenteel onderzoek kunnen ook interessant zijn voor de kwantumcommunicatie van de toekomst. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Een lichtstraal wordt meestal verdeeld door op een gedeeltelijk reflecterende spiegel te worden gericht:een deel van het licht wordt vervolgens teruggekaatst om het spiegelbeeld te creëren. De rest gaat door de spiegel. "Echter, dit proces kan worden omgedraaid als de experimentele opstelling wordt omgekeerd, " zegt Prof. Dr. Martin Weitz van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde aan de Universiteit van Bonn. Als het gereflecteerde licht en het deel van het licht dat door de spiegel gaat in de tegenovergestelde richting worden gestuurd, de originele lichtbundel kan worden gereconstrueerd.

De natuurkundige onderzoekt exotische optische kwantumtoestanden van licht. Samen met zijn team en Prof. Dr. Achim Rosch van het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Keulen, Weitz was op zoek naar een nieuwe methode om optische eenrichtingsstraten te genereren door de fotonen te koelen:als gevolg van de kleinere energie van de fotonen, het licht moet zich verzamelen in valleien en daardoor onomkeerbaar worden verdeeld. De natuurkundigen gebruikten hiervoor een Bose-Einstein condensaat gemaakt van fotonen, die Weitz voor het eerst bereikte in 2010, en werd de eerste die zo'n "superfoton" maakte.

Tussen twee spiegels wordt een lichtstraal heen en weer gegooid. Tijdens dit proces, de fotonen botsen met kleurstofmoleculen die zich tussen de reflecterende oppervlakken bevinden. De kleurstofmoleculen "slikken" de fotonen in en spugen ze vervolgens weer uit. "De fotonen krijgen de temperatuur van de kleurstofoplossing, "zegt Weitz. "Tijdens dit, ze koelen af ​​tot kamertemperatuur zonder te verdwalen."

Door de kleurstofoplossing te bestralen met een laser, de natuurkundigen vergroten het aantal fotonen tussen de spiegels. De sterke concentratie van de lichtdeeltjes gecombineerd met gelijktijdige afkoeling zorgt ervoor dat de individuele fotonen versmelten tot een "superfoton, " ook bekend als Bose-Einstein condensaat.

Twee optische valleien "vangen" het licht

Het huidige experiment werkte volgens dit principe. Echter, een van de twee spiegels was niet helemaal vlak, maar had twee kleine optische valleien. Wanneer de lichtstraal een van de inkepingen binnengaat, de afstand, en dus de golflengte, wordt iets langer. De fotonen hebben dan een lagere energie. Deze lichte deeltjes worden "gekoeld" door de kleurstofmoleculen en gaan vervolgens over in een laag-energetische toestand in de valleien.

Echter, de fotonen in de streepjes gedragen zich niet als knikkers die over een golfplaat rollen. Knikkers rollen in de dalen van de golfplaat en blijven daar, gescheiden door de "pieken".

"Bij ons experiment de twee dalen liggen zo dicht bij elkaar dat er een tunnelkoppeling ontstaat, ", meldt hoofdauteur Christian Kurtscheid van het Weitz-team. Het is daarom niet meer mogelijk om te bepalen welke fotonen zich in welke vallei bevinden. "De fotonen worden in de twee valleien vastgehouden en komen in de laagste energietoestand van het systeem, " legt Weitz uit. "Dit splijt het licht onomkeerbaar alsof het door een kruising gaat aan het einde van een eenrichtingsstraat, terwijl de lichtgolven in verschillende streepjes in lockstep blijven."

De wetenschappers hopen dat deze experimentele opstelling het mogelijk zal maken om nog complexere kwantumtoestanden te produceren die het genereren van interlaced fotonische multi-deeltjestoestanden mogelijk maken. "Misschien kunnen kwantumcomputers ooit deze methode gebruiken om met elkaar te communiceren en een soort kwantuminternet te vormen, " zegt Weitz met een blik op de toekomst.