원자는 빛의 특정 주파수에 대해 투명해집니다.

광학 공동에서 레이저를 공격하는 원자에 대한 예술가의 개념. 과학자들은 원자 그룹이 특정 주파수에서 빛을 반사하지 않는 “집합적으로 유도된 투명도”(CIT)라는 새로운 현상을 발견했습니다. 연구팀은 광학 공동에 이터븀 원자를 가두어 레이저 빛에 노출시킴으로써 이 효과를 발견했습니다. 특정 주파수에서 빛이 방해받지 않고 공동을 우회하는 투명한 창이 나타났습니다. 크레딧: 엘라 마루 스튜디오

새로 관찰된 효과는 원자를 특정 주파수의 빛에 대해 투명하게 만듭니다.

캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 연구원들은 빛이 특정 주파수에서 원자 그룹을 방해받지 않고 통과하는 “집합적으로 유도된 투명도”(CIT)라는 새로운 현상을 발견했습니다. 이 발견은 양자 메모리 시스템의 개선으로 이어질 수 있습니다.

CIT(Collectively Induced Transparency)라고 불리는 새로 발견된 현상은 원자 그룹이 갑자기 특정 주파수에서 빛을 반사하는 것을 멈추게 합니다.

CIT는 이터븀 원자를 광공동(기본적으로 작은 빛 상자) 내부에 가두고 레이저로 폭파함으로써 발견되었습니다. 레이저 빛이 원자에서 특정 지점으로 튕겨 나오더라도 빛의 주파수가 조정됨에 따라 빛이 방해받지 않고 공동을 통과하는 투명한 창이 나타납니다.

California Institute of Technology(BS ’04)의 Andrei Faraon과 응용 물리학 및 전기 공학의 William L. 교수는 저널에 말합니다. 자연. “우리의 연구는 기본적으로 이유를 찾기 위한 여정이 되었습니다.”

창 투명도 분석은 원자 그룹과 빛 사이의 공동에서 상호 작용의 결과임을 나타냅니다. 이 현상은 두 개 이상의 소스에서 나오는 파동이 서로를 상쇄할 수 있는 상쇄 간섭과 유사합니다. 원자 클러스터는 지속적으로 빛을 흡수하고 다시 방출하며, 이는 일반적으로 레이저 빛을 반사시킵니다. 그러나 CIT 주파수에서는 앙상블의 각 원자에서 빛이 다시 방출되어 평형이 이루어지고 반사율이 감소합니다.

“동일한 광학 필드에 강력하게 결합된 원자 그룹은 예상치 못한 결과를 초래할 수 있습니다.”라고 Caltech의 대학원생인 공동 저자인 Mei Li는 말합니다.

길이가 20μm에 불과하고 1μm보다 작은 기능을 포함하는 광학 공진기는 Caltech의 Kavli Institute for Nanoscience에서 제작되었습니다.

논문의 공동 저자인 대학원생 Rikuto Fukumori는 “전통적인 양자 광학 측정 기술을 통해 우리는 우리 시스템이 새로운 물리학을 드러내는 미개척 영역에 도달했음을 발견했습니다.”라고 말했습니다.

투명성 현상 외에도 연구원들은 원자 그룹이 자체보다 훨씬 빠르게 또는 훨씬 느리게 레이저에서 빛을 흡수하고 방출할 수 있다는 점에 주목했습니다.[{” 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.