Natuurkundigen van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) hebben de lichtst denkbare optische spiegel ontwikkeld. Het nieuwe metamateriaal is gemaakt van een enkele gestructureerde laag die slechts uit een paar honderd identieke atomen bestaat. De atomen zijn gerangschikt in de tweedimensionale reeks van een optisch rooster gevormd door interfererende laserstralen. De onderzoeksresultaten zijn de eerste experimentele waarnemingen in hun soort in een pas recent opkomend nieuw veld van subgolflengte kwantumoptica met geordende atomen. Tot dusver, de spiegel is de enige in zijn soort. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in Natuur .

Gebruikelijk, spiegels maken gebruik van hooggepolijste metalen oppervlakken of speciaal gecoate optische glazen om de prestaties bij kleinere gewichten te verbeteren. Maar natuurkundigen van MPQ toonden nu voor de allereerste keer aan dat zelfs een enkele gestructureerde laag van een paar honderd atomen al een optische spiegel kan vormen, waardoor het de lichtste denkbare is. De nieuwe spiegel is slechts enkele tientallen nanometers dun, die duizend keer dunner is dan de breedte van een mensenhaar. De reflectie, echter, is zo sterk dat het zelfs met het zuivere menselijke oog kan worden waargenomen.

Het mechanisme achter de spiegel

De spiegel werkt met identieke atomen die in een tweedimensionale reeks zijn gerangschikt. Ze zijn geordend in een regelmatig patroon met een tussenruimte die kleiner is dan de optische overgangsgolflengte van het atoom, zowel typische als noodzakelijke kenmerken van metamaterialen. Metamaterialen zijn kunstmatig ontworpen structuren met zeer specifieke eigenschappen die in de natuur zelden voorkomen. Ze ontlenen hun eigenschappen niet aan de materialen waarvan ze zijn gemaakt, maar aan de specifieke structuren waarmee ze zijn ontworpen. De kenmerken - het regelmatige patroon en de subgolflengteafstand - en hun samenspel zijn de twee cruciale werkingen achter dit nieuwe soort optische spiegel. Allereerst, het regelmatige patroon en de subgolflengteafstand van atomen onderdrukken beide een diffuse verstrooiing van licht, bundelen van de reflectie in een eenrichtings- en constante lichtstraal. Tweede, vanwege de relatief kleine en discrete afstand tussen de atomen, een binnenkomend foton kan meer dan eens heen en weer stuiteren tussen de atomen voordat het wordt gereflecteerd. Beide effecten, de onderdrukte verstrooiing van licht en het weerkaatsen van de fotonen, leiden tot een "verbeterde coöperatieve reactie op het externe veld, " wat in dit geval betekent:een hele sterke reflectie.

Vooruitgang op weg naar efficiëntere kwantumapparaten

Met een diameter van ongeveer zeven micron, de spiegel zelf is zo klein dat hij ver buiten de visuele herkenning valt. Het apparaat waarin het apparaat is gemaakt, echter, is enorm. Volledig in stijl met andere kwantum optische experimenten, het telt meer dan duizend afzonderlijke optische componenten en weegt ongeveer twee ton. Daarom, het nieuwe materiaal zou nauwelijks invloed hebben op de handelsspiegels die mensen dagelijks gebruiken. De wetenschappelijke invloed aan de andere kant kan verstrekkend zijn.

"De resultaten zijn erg opwindend voor ons. Zoals in typische verdunde bulkensembles, foton-gemedieerde correlaties tussen atomen, die een cruciale rol spelen in ons systeem, worden doorgaans verwaarloosd in traditionele theorieën over kwantumoptica. Anderzijds, geordende arrays van atomen gemaakt door ultrakoude atomen in optische roosters te laden, werden voornamelijk gebruikt om kwantumsimulaties van modellen van gecondenseerde materie te bestuderen. Maar het blijkt nu een krachtig platform te zijn om ook de nieuwe kwantum optische fenomenen te bestuderen, " legt Jun Rui uit, Postdoc-onderzoeker en eerste auteur van het artikel.

Verder onderzoek langs deze verhaallijn zou het fundamentele begrip van de kwantumtheorieën van licht-materie-interactie kunnen verdiepen, veellichamenfysica met optische fotonen, en de engineering van efficiëntere kwantumapparaten mogelijk te maken.

"Er zijn veel nieuwe spannende kansen geopend, zoals een intrigerende benadering om kwantumoptomechanica te bestuderen, dat is een groeiend veld van het bestuderen van de kwantumaard van licht met mechanische apparaten. Of, ons werk zou ook kunnen helpen om betere kwantumherinneringen te creëren of zelfs om een ​​kwantumschakelbare optische spiegel te bouwen, " voegt David Wei toe, Doctoraal onderzoeker en tweede auteur. "Beide zijn interessante ontwikkelingen voor de verwerking van kwantuminformatie."