Atomen kunnen licht absorberen en weer uitzenden – dit is een alledaags fenomeen. In de meeste gevallen zendt een atoom echter een lichtdeeltje in alle mogelijke richtingen uit. Het heroveren van dit foton is daarom behoorlijk lastig.

Een onderzoeksteam van de TU Wien in Wenen (Oostenrijk) heeft nu theoretisch kunnen aantonen dat met behulp van een speciale lens gegarandeerd kan worden dat een enkel foton dat door één atoom wordt uitgezonden, opnieuw wordt geabsorbeerd door een tweede atoom. Dit tweede atoom absorbeert het foton echter niet alleen, maar geeft het direct terug aan het eerste atoom. Op die manier geven de atomen het foton keer op keer met uiterste nauwkeurigheid aan elkaar door, net als bij pingpong.

Hoe je een golf temt

“Als een atoom ergens in de vrije ruimte een foton uitzendt, is de richting van de emissie volledig willekeurig. Dit maakt het praktisch onmogelijk om een ​​ander ver atoom dit foton opnieuw te laten opvangen”, zegt prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU. Wenen. “Het foton plant zich voort als een golf, wat betekent dat niemand precies kan zeggen in welke richting het zich voortbeweegt. Het is dus puur toeval of het lichtdeeltje wordt gereabsorbeerd door een tweede atoom of niet.”

De situatie is anders als het experiment niet in de vrije ruimte wordt uitgevoerd, maar in een afgesloten omgeving. Iets soortgelijks is bekend uit zogenaamde fluistergalerijen in de akoestiek:als twee mensen zich in een elliptische kamer precies op de brandpunten van de ellips plaatsen, kunnen ze elkaar perfect horen, zelfs als ze alleen maar zachtjes fluisteren.

De geluidsgolven worden zo door de ellipsvormige wand weerkaatst dat ze elkaar precies daar weer ontmoeten waar de tweede persoon staat; deze persoon kan het zachte gefluister dus perfect horen.

‘In principe zou iets soortgelijks kunnen worden gebouwd voor lichtgolven wanneer twee atomen in de brandpunten van een ellips worden geplaatst’, zegt Oliver Diekmann, de eerste auteur van de huidige publicatie. "Maar in de praktijk zouden de twee atomen heel precies op deze brandpunten moeten worden gepositioneerd."

De Maxwell fisheye-lens

Het onderzoeksteam kwam daarom met een betere strategie, gebaseerd op het concept van de fish-eye-lens, ontwikkeld door James Clerk Maxwell, de grondlegger van de klassieke elektrodynamica. De lens omvat een ruimtelijk variërende brekingsindex. Terwijl licht zich in rechte lijnen voortplant in een uniform medium zoals lucht of water, worden lichtstralen gebogen in een Maxwell fisheye-lens.

"Op deze manier is het mogelijk ervoor te zorgen dat alle stralen die uit één atoom komen de rand van de lens bereiken via een gebogen pad, vervolgens worden gereflecteerd en vervolgens via een ander gebogen pad bij het doelatoom terechtkomen", legt Oliver Diekmann uit. In dit geval werkt het effect veel efficiënter dan bij een eenvoudige ellips, en zijn afwijkingen van de ideale posities van de atomen minder schadelijk.

"Het lichtveld in deze Maxwell fish-eye-lens bestaat uit veel verschillende oscillerende modi. Dit doet denken aan het bespelen van een muziekinstrument waarbij verschillende harmonischen tegelijkertijd worden gegenereerd", zegt Stefan Rotter. ‘We hebben kunnen aantonen dat de koppeling tussen het atoom en deze verschillende oscillatiemodi zo kan worden aangepast dat het foton vrijwel zeker van het ene atoom naar het andere wordt overgedragen – heel anders dan wat het geval zou zijn in de vrije ruimte. ."

Zodra het atoom het foton heeft geabsorbeerd, blijft het in een staat van hogere energie totdat het het foton na zeer korte tijd opnieuw uitzendt. Dan begint het spel opnieuw:de twee atomen wisselen van rol, en het foton wordt teruggestuurd van het ontvangeratoom naar het oorspronkelijke zenderatoom, enzovoort.

Het effect is theoretisch aangetoond, maar met de huidige technologie zijn praktijktesten mogelijk. ‘In de praktijk zou de efficiëntie nog verder kunnen worden verhoogd door niet slechts twee atomen te gebruiken, maar twee groepen atomen’, zegt Stefan Rotter. "Het concept zou een interessant startpunt kunnen zijn voor kwantumcontrolesystemen om effecten bij extreem sterke interactie tussen licht en materie te bestuderen."

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Meer informatie: Oliver Diekmann et al., Ultrasnelle excitatie-uitwisseling in een Maxwell Fish-Eye-lens, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.013602

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen