Ридберговский атом подавил прозрачность вокруг себя

Немецкие физики научились управлять прозрачностью зеркала, состоящего из атомов в узлах оптической решетки, с помощью всего одного ридберговского атома. Для этого они переводили атомный слой в режим электромагнитно-индуцированной прозрачности, в то время как волновая функция электрона в управляющем атоме блокировала этот эффект в радиусе 4,6 микрометра. Разработка поможет созданию систем для запутывания атомов с фотонами и фотонов с фотонами. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Нередко бывает так, что при взаимодействии двух тел состояние второго зависит от состояния первого. В квантовой механике такая постановка задачи позволяет запутать оба объекта, если первый находился в суперпозиции разных состояний. Этот принцип лежит в основе протоколов создания запутанных состояний, например, с помощью вентилей CNOT.

Главной бедой всех квантовых операций становится декогеренция - разрушение квантового состояния. Она происходит тем чаще, чем крупнее объекты. И хотя физики с каждым годом увеличивают размеры запутываемых объектов, на практике все же они отдают предпочтение одиночным атомам или элементарным частицам: электронам, фотонам и так далее.

Например, для управления состояниями света одиночные атомы помещают в резонаторы или волноводы. Недостаток такого подхода состоит в том, что в этом случае манипуляции подвергается как правило всего одна оптическая мода, что исключает доступ к управлению пространственными свойствами света. Не так давно было предложено управлять светом с помощью одного ридберговского атома, помещенного в плененный атомный массив. Ученые уверены, что в этом случае нет необходимости ограничиваться одиночными модами.

Реализовать такой метод управления светом решила группа из Института квантовой оптики Общества Макса Планка под руководством Иммануила Блоха (Immanuel Bloch) и Йоханнеса Цайхера (Johannes Zeiher).

Одиночный слой атомов действительно может влиять на прохождение или отражение света, если применить к нему технику электромагнитно-индуцированной прозрачности. В случае с атомами рубидия, использованными в эксперименте, этот эффект может возникнуть для линии резонансного перехода 5S_1/2 – 5P_3/2 на 780 нанометрах, если предварительно изменить возбужденный уровень, связав его осцилляциями Раби с высоколежащим ридберговским состоянием (в эксперименте 44S_1/2). Физики убедились в этом, размещая атомы рубидия в узлах двумерной оптической решетки с периодом 532 нанометра и фотографируя их на просвет и на отражение.

Оказалось, этим процессом можно управлять в пределах существенной части массива, если задать атому в ее середине иные свойства. Авторы приводили этот управляющий атом в другое ридберговское состояние — 44P_3/2. Оптический электрон в таком атоме обладает протяженной волновой функцией, накрывающей соседние атомы. Взаимодействие с их ридберговскими уровнями приводит к смещению их энергий, из-за чего нарушается резонанс, требуемый для осцилляций Раби, и прозрачность атомов пропадает. Исследователи выяснили, что для созданных условий радиус блокады прозрачности составил 4,6 микрометра.

Физики также выяснили, что характер блокады зависит от размеров атомного массива. Когда площать массива ощутимо больше области блокады, ее эффект сглаживается за счет миграции состояния управляющего атома в дальнодействующих процессах обмена. В будущем авторы надеются усовершенствовать свою установку, чтобы повысить эффективность блокады. Они надеются, что продемонстрированный эффект станет платформой для фотон-атомных и фотон-фотонных взаимодействий.

Ранее мы рассказывали, как один атом запутал сразу 14 фотонов, а также как физики научились управлять свойствами поляритонного конденсата с помощью одного фотона.