In het kwantumrijk, onder bepaalde omstandigheden en met de juiste interferentiepatronen, licht kan door ondoorzichtige media gaan.

Deze eigenschap van licht is meer dan een wiskundige truc; optisch kwantumgeheugen, optische opslag en andere systemen die afhankelijk zijn van interacties van slechts een paar fotonen tegelijk, vertrouwen op het proces, elektromagnetisch geïnduceerde transparantie genoemd, ook bekend als EIT.

Vanwege het nut ervan in bestaande en opkomende kwantum- en optische technologieën, onderzoekers zijn geïnteresseerd in het vermogen om EIT te manipuleren zonder de introductie van invloed van buitenaf, zoals extra fotonen die het toch al delicate systeem zouden kunnen verstoren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis hebben een volledig optisch resonatorsysteem ontwikkeld dat kan worden gebruikt om transparantie aan en uit te zetten, waardoor een mate van controle mogelijk is die gevolgen heeft voor een breed scala aan toepassingen.

De groep publiceerde de resultaten van het onderzoek, uitgevoerd in het laboratorium van Lan Yang, de Edwin H. &Florence G. Skinner Professor in de Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering, in een paper getiteld Electromagnetically Induced Transparency at a Chiral Exceptional Point in het nummer van 13 januari van Natuurfysica .

Een optisch resonatorsysteem is analoog aan een elektronisch resonantiecircuit, maar gebruikt fotonen in plaats van elektronen. Resonatoren zijn er in verschillende vormen, maar ze hebben allemaal betrekking op reflecterend materiaal dat licht voor een bepaalde periode opvangt terwijl het heen en weer kaatst tussen of rond het oppervlak. Deze componenten zijn te vinden in alles van lasers tot zeer nauwkeurige meetapparatuur.

Voor hun onderzoek hebben Het team van Yang gebruikte een type resonator die bekend staat als een fluisterende galerijmodusresonator (WGMR). Het werkt op een manier die vergelijkbaar is met de fluistergalerij in de St. Paul's Cathedral, waar een persoon aan de ene kant van de kamer een persoon kan horen fluisteren aan de andere kant. Wat de kathedraal doet met geluid, echter, WGMR's doen met licht:ze vangen licht terwijl het reflecteert en weerkaatst langs de gebogen omtrek.

In een geïdealiseerd systeem een glasvezellijn kruist met een resonator, een ring gemaakt van silica, bij een raaklijn. Wanneer een foton in de lijn de resonator ontmoet, het duikt naar binnen, reflecterend en voortplantend langs de ring, uittreden in de vezel in dezelfde richting waarin het aanvankelijk was geleid.

Realiteit, echter, is zelden zo netjes.

"De fabricage van resonatoren van hoge kwaliteit is niet perfect, " Yang zei. "Er is altijd een defect, of stof, dat het licht verstrooit." Wat er feitelijk gebeurt, is dat een deel van het verstrooide licht van richting verandert, de resonator verlaten en terugreizen in de richting waar hij vandaan kwam. De verstrooiingseffecten verspreiden het licht, en het verlaat het systeem niet.

Stel je een doos rond het systeem voor:als het licht de doos van links binnenkomt, dan verliet de rechterkant, de doos zou transparant lijken. Maar als het licht dat binnenkwam werd verstrooid en niet naar buiten kwam, de doos zou ondoorzichtig lijken.

Omdat fabricage-onvolkomenheden in resonatoren inconsistent en onvoorspelbaar zijn, dat gold ook voor transparantie. Licht dat dergelijke systemen binnenkomt, verstrooit en verliest uiteindelijk zijn kracht; het wordt geabsorbeerd in de resonator, het systeem ondoorzichtig maken.

In het systeem bedacht door co-eerste auteurs Changqing Wang, een doctoraat kandidaat, en Xuefeng Jiang, een onderzoeker in het lab van Yang, er zijn twee WGMR's die indirect zijn gekoppeld door een glasvezellijn. De eerste resonator is van hogere kwaliteit, met slechts één onvolkomenheid. Wang voegde een klein puntig materiaal toe dat werkt als een nanodeeltje aan de hoogwaardige resonator. Door het geïmproviseerde deeltje te verplaatsen, Wang was in staat om het te "tunen", regelen van de manier waarop het licht binnenin wordt verstrooid.

belangrijk, hij was ook in staat om de resonator af te stemmen op wat bekend staat als een "uitzonderlijk punt, " een punt waarop één en slechts één staat kan bestaan. In dit geval, de toestand is de richting van het licht in de resonator:met de klok mee of tegen de klok in.

Voor het experiment, onderzoekers richtten het licht van links op een paar indirect gekoppelde resonatoren (zie afbeelding). De lichtgolf ging de eerste resonator binnen, die was "afgestemd" om ervoor te zorgen dat het licht met de klok mee reisde. Het licht kaatste rond de omtrek, dan verliet, verder langs de vezel naar de tweede, resonator van mindere kwaliteit.

Daar, het licht werd verstrooid door de onvolkomenheden van de resonator en een deel ervan begon tegen de klok in langs de omtrek te reizen. De lichtgolf keerde vervolgens terug naar de vezel, maar ging terug naar de eerste resonator.

Kritisch, onderzoekers gebruikten het nanodeeltje niet alleen in de eerste resonator om de lichtgolven met de klok mee te laten bewegen, ze hebben het ook zo afgestemd dat, terwijl de lichtgolven zich tussen de resonatoren voortplantten, een speciaal interferentiepatroon zou vormen. Als gevolg van dat patroon, het licht in de resonatoren ging uit, bij wijze van spreken, waardoor het licht dat langs de vezel reist voorbij kan glippen, het systeem transparant maken.

Het zou zijn alsof iemand een licht op een bakstenen muur scheen - er zou geen licht doorkomen. Maar toen scheen een andere persoon met een andere zaklamp op dezelfde plek en, plotseling, die plek in de muur werd transparant.

Een van de belangrijkste en interessantere functies van EIT is het vermogen om 'langzaam licht' te creëren. De lichtsnelheid is altijd constant, maar de werkelijke waarde van die snelheid kan veranderen op basis van de eigenschappen van het medium waardoor het beweegt. In een vacuüm, licht reist altijd met 300, 000, 000 meter per seconde.

Met EIT, mensen hebben het licht vertraagd tot enkele meters per seconde, zei Wang. “Dat kan grote invloed hebben op de opslag van lichtinformatie. Als het licht wordt afgeremd, we hebben genoeg tijd om de gecodeerde informatie te gebruiken voor optische kwantumcomputers of optische communicatie." Als ingenieurs EIT beter kunnen controleren, ze kunnen voor deze toepassingen betrouwbaarder vertrouwen op langzaam licht.

Het manipuleren van het EIT kan ook worden gebruikt bij de ontwikkeling van communicatie op afstand. Een afstemresonator kan indirect worden gekoppeld aan een andere resonator kilometers verderop langs dezelfde glasvezelkabel. "Je zou het doorgelaten licht langs de lijn kunnen veranderen, ' zei Yang.

Dit kan van cruciaal belang zijn voor onder andere, kwantumversleuteling.