El efecto recientemente observado hace que los átomos sean transparentes a ciertas frecuencias de luz

Los investigadores de Caltech han descubierto un nuevo fenómeno, «transparencia inducida colectivamente» (CIT), en el que la luz pasa sin obstáculos a través de grupos de átomos a ciertas frecuencias. Este descubrimiento podría mejorar potencialmente los sistemas de memoria cuántica.

Un fenómeno recién descubierto denominado «transparencia inducida colectivamente» (CIT) hace que grupos de átomos dejen de reflejar abruptamente la luz en frecuencias específicas.

CIT se descubrió al confinar átomos de iterbio dentro de una cavidad óptica, esencialmente una pequeña caja para la luz, y dispararlos con un láser. Aunque la luz láser rebota en los átomos hasta cierto punto, a medida que se ajusta la frecuencia de la luz, aparece una ventana de transparencia en la que la luz simplemente pasa a través de la cavidad sin obstáculos.

«Nunca supimos que existía esta ventana de transparencia», dice Andrei Faraon (BS ’04) de Caltech, William L. Valentine profesor de física aplicada e ingeniería eléctrica y autor correspondiente de un artículo sobre el descubrimiento publicado el 26 de abril en la revista. Naturaleza. “Nuestra investigación se ha convertido principalmente en un viaje para descubrir por qué”.

Un análisis de la ventana de transparencia señala que es el resultado de interacciones en la cavidad entre grupos de átomos y luz. Este fenómeno es similar a la interferencia destructiva, en la que las ondas de dos o más fuentes pueden cancelarse entre sí. Los grupos de átomos absorben y vuelven a emitir luz continuamente, lo que a menudo resulta en un reflejo de la luz láser. Sin embargo, en la frecuencia CIT, existe un equilibrio creado por la luz reemitida de cada uno de los átomos de un grupo, lo que da como resultado una caída en la reflexión.

«Un conjunto de átomos estrechamente acoplados al mismo campo óptico puede conducir a resultados inesperados», dice el coautor principal Mi Lei, estudiante graduado en Caltech.

El resonador óptico, que mide solo 20 micras de largo e incluye características de menos de 1 micra, fue fabricado en el Instituto de Nanociencia Kavli de Caltech.

«A través de técnicas convencionales de medición óptica cuántica, descubrimos que nuestro sistema había alcanzado un régimen inexplorado, revelando una nueva física», dice el estudiante graduado Rikuto Fukumori, coautor principal del artículo.

Además del fenómeno de la transparencia, los investigadores también observaron que la colección de átomos puede absorber y emitir luz láser mucho más rápido o mucho más lento en comparación con uno solo.[{» attribute=»»>atom depending on the intensity of the laser. These processes, called superradiance and subradiance, and their underlying physics are still poorly understood because of the large number of interacting quantum particles.

“We were able to monitor and control quantum mechanical light–matter interactions at nanoscale,” says co-corresponding author Joonhee Choi, a former postdoctoral scholar at Caltech who is now an assistant professor at Stanford University.

Though the research is primarily fundamental and expands our understanding of the mysterious world of quantum effects, this discovery has the potential to one day help pave the way to more efficient quantum memories in which information is stored in an ensemble of strongly coupled atoms. Faraon has also worked on creating quantum storage by manipulating the interactions of multiple vanadium atoms.

“Besides memories, these experimental systems provide important insight about developing future connections between quantum computers,” says Manuel Endres, professor of physics and Rosenberg Scholar, who is a co-author of the study.

Reference: “Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters” by Mi Lei, Rikuto Fukumori, Jake Rochman, Bihui Zhu, Manuel Endres, Joonhee Choi and Andrei Faraon, 26 April 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05884-1

Coauthors include Bihui Zhu of the University of Oklahoma and Jake Rochman (MS ’19, PhD ’22). This research was funded by the Department of Energy, the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, and the Office of Naval Research.