Onderzoekers van de Light-Matter Interactions for Quantum Technologies Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben Rydberg-atomen gegenereerd - ongewoon grote opgewonden atomen - in de buurt van nanometerdunne optische vezels. Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek , vooruitgang markeren in de richting van een nieuw platform voor de verwerking van kwantuminformatie, die het potentieel heeft om materiaal- en medicijnontdekkingen te revolutioneren en veiligere kwantumcommunicatie te bieden.

Vanwege hun buitengewone gevoeligheid voor elektrische en magnetische velden, Rydberg-atomen hebben de interesse van natuurkundigen al lang gewekt. Gebruikt in combinatie met optische nanovezels, deze hypergevoelige atomen zouden een belangrijke rol kunnen spelen in nieuwe soorten schaalbare kwantumapparaten. Echter, Rydberg-atomen zijn bijzonder moeilijk te controleren.

"Het belangrijkste doel van de studie was om Rydberg-atomen in de buurt van de nanovezels te brengen, " zei Krishnapriya Subramonian Rajasree, een doctoraat student aan OIST en de eerste auteur van de studie. "Deze opstelling creëert een nieuw systeem voor het bestuderen van interacties tussen Rydberg-atomen en nanovezeloppervlakken."

ongebruikelijke atomen

Om hun onderzoek uit te voeren, de wetenschappers gebruikten een apparaat dat een magneto-optische val wordt genoemd om een ​​cluster van Rubidium (Rb) -atomen te vangen. Ze verlaagden de temperatuur van de atomen tot ongeveer 120 microKelvin – fracties van een graad boven het absolute nulpunt, en lieten een nanovezel door de atoomwolk lopen.

Vervolgens, de wetenschappers opgewonden de Rb-atomen tot een meer energetische Rydberg-staat, met behulp van een lichtstraal van 482 nm die door de nanovezel reist. Deze Rydberg-atomen, die zich rond het nanovezeloppervlak vormden, zijn groter in omvang dan hun gewone tegenhangers. Toen de elektronen van de atomen energie kregen, ze gingen verder van de atoomkern, grotere atomen maken. Deze ongebruikelijke grootte verhoogt de gevoeligheid van de atomen voor hun omgeving en voor de aanwezigheid van andere Rydberg-atomen.

Door hun experiment, de wetenschappers brachten de Rydberg-atomen binnen slechts nanometers van de optische nanovezel, waardoor een verhoogde interactie tussen de atomen en het licht dat in de nanovezel reist, mogelijk is. Door hun abnormale eigenschappen, de Rydberg-atomen ontsnapten aan de magneto-optische val. De wetenschappers konden aspecten van het Rydberg-atoomgedrag begrijpen door te onderzoeken hoe het verlies van atomen afhing van de kracht en golflengte van het licht.

Het vermogen om licht te gebruiken dat in een optische nanovezel reist om Rydberg-atomen te exciteren en vervolgens te besturen, kan de weg vrijmaken voor methoden voor kwantumcommunicatie, terwijl het ook een incrementele vooruitgang in de richting van kwantumcomputing inluidt, zeiden de wetenschappers.

"Het begrijpen van interacties tussen licht en Rydberg-atomen is cruciaal, " zei dr. Jesse Everett, een postdoctoraal onderzoeker bij OIST en een co-auteur van de studie. "Het benutten van deze atomen kan de veilige routering van communicatiesignalen mogelijk maken met zeer kleine hoeveelheden licht."

Vooruit gaan, de onderzoekers hopen de eigenschappen van de Rydberg-atomen verder te bestuderen in combinatie met optische nanovezels. In toekomstige studies, ze zijn van plan om naar Rydberg-atomen te kijken die nog groter zijn, om de mogelijkheden en grenzen van dit systeem te verkennen.