Aan de TU Wien (Wenen) is een optisch apparaat op nanoschaal ontwikkeld dat licht maar in één richting doorlaat. Het bestaat uit alkaliatomen die zijn gekoppeld aan ultradunne glasvezels.

Als licht zich van links naar rechts kan voortplanten, de tegenovergestelde richting is meestal ook toegestaan. Een lichtstraal kan normaal gesproken worden teruggestuurd naar het punt van oorsprong, gewoon door het op een spiegel te reflecteren. Onderzoekers van de TU Wien hebben een nieuw apparaat ontwikkeld om deze regel te doorbreken. Net als bij een elektrische diode, waardoor de stroom maar in één richting kan passeren, dit op glasvezel gebaseerde apparaat laat het licht slechts in één richting door. De eenrichtingsregel geldt zelfs als de lichtpuls die door de vezel gaat uit slechts enkele fotonen bestaat. Zo'n eenrichtingsverkeer voor licht kan nu worden gebruikt voor optische chips en kan dus belangrijk worden voor optische signaalverwerking.

Optische signaalverwerking in plaats van elektronica

Elementen die licht slechts in één richting doorlaten, worden "optische isolatoren" genoemd. "In principe, dergelijke componenten bestaan ​​al heel lang", zegt Arno Rauschenbeutel, van het Vienna Center for Quantum Science and Technology aan het Atominstitut van de TU Wien. "De meeste optische isolatoren, echter, zijn gebaseerd op het Faraday-effect:een sterk magnetisch veld wordt toegepast op een transparant materiaal tussen twee gekruiste polarisatiefilters. De richting van het magnetische veld bepaalt dan de richting waarin het licht mag passeren."

Om technische redenen, apparaten die het Faraday-effect gebruiken, kunnen niet op nanoschaal worden geconstrueerd - een ongelukkig feit, omdat dit veel interessante toepassingen zou hebben. "Vandaag, onderzoekers proberen optische geïntegreerde schakelingen te bouwen, vergelijkbaar met hun elektronische tegenhangers", zegt Rauschenbeutel. Andere methoden om deze symmetrie te doorbreken werken alleen bij zeer hoge intensiteiten. Maar in nanotechnologie een ultiem doel is om te werken met extreem zwakke lichtsignalen, die zelfs uit losse fotonen kan bestaan.

Glasvezels en atomen

Het team van Arno Rauschenbeutel koos voor een heel andere aanpak:Alkali-atomen werden gekoppeld aan het lichtveld van een ultradunne glasvezel. In een glasvezel, het licht kan zich naar voren of naar achteren voortplanten. Er is, echter, een andere eigenschap van licht waarmee rekening moet worden gehouden:de oscillatierichting van de lichtgolf, ook wel de polarisatie genoemd.

De interactie van licht en de glasvezel wijzigt de oscillatietoestand van het licht. "De polarisatie draait, net als de rotor van een helikopter", zegt Arno Rauschenbeutel. De draairichting hangt af van of het licht naar voren of naar achteren gaat. In een geval, de lichtgolf oscilleert met de klok mee en in de andere, tegen de klok in. De voortplantingsrichting en de oscillatietoestand van de lichtgolf zijn aan elkaar vergrendeld.

Als de alkaliatomen in de juiste kwantumtoestand worden geprepareerd en gekoppeld aan het licht in de ultradunne glasvezel, het is mogelijk om ze anders te laten reageren op de twee zintuigen van lichtrotatie. "Het licht in de voorwaartse richting wordt niet beïnvloed door de atomen. licht dat achteruit reist en dus de andere kant op draait, koppelt aan de alkaliatomen en verspreidt zich uit de glasvezel", zegt Arno Rauschenbeutel.

De atoomtoestand als een kwantumschakelaar

Dit effect is op twee verschillende manieren aangetoond aan de TU Wien:In de eerste benadering, ongeveer 30 atomen werden langs de glasvezel geplaatst. Bij het verzenden van licht, in de ene voortplantingsrichting werd een hoge transmissie gemeten van bijna 80% en in de andere richting tien keer minder. Bij de tweede benadering slechts een enkel rubidiumatoom werd gebruikt. In dit geval, het licht werd tijdelijk opgeslagen in een optische microresonator, zodat het voor een relatief lange tijd met het atoom kan interageren. Op deze manier, soortgelijke controle over de transmissie zou kunnen worden bereikt.

"Als we maar één atoom gebruiken, we hebben een veel subtielere controle over het proces", zegt Rauschenbeutel. "Men kan het atoom voorbereiden in een kwantumsuperpositie van de twee mogelijke toestanden, zodat het het licht blokkeert en tegelijkertijd doorlaat." Volgens de klassieke natuurkunde dit zou onmogelijk zijn, maar de kwantumfysica maakt dergelijke combinaties mogelijk. Dit zou de deur openen naar nieuwe, opwindende mogelijkheden voor optische verwerking van kwantuminformatie.