Optiska fibrer är ryggraden i modern kommunikation, överföring av information från A till B genom tunna glasfilament som ljuspulser. De används flitigt inom telekommunikation, tillåter information att färdas med nära ljusets hastighet praktiskt taget utan förlust.

Dessa dagar, biologer, fysiker och andra forskare använder regelbundet optiska fibrer för att röra runt ljus i sina labb. I en ny ansökan, kvantforskningslaboratorier har format om optiska fibrer, sträcka ut dem till små avsmalningar (se Nanofibrer och designljusfällor). För dessa avsmalningar i nanometerskala, eller nanofibrer, det injicerade ljuset går fortfarande från A till B, men en del av det tvingas färdas utanför fiberns yttre yta. Det yttre ljuset, eller flyktigt fält, kan fånga atomer och sedan föra information om den ljus-materia-interaktionen till en detektor.

Att finjustera sådana evanescenta ljusfält är knepigt och kräver verktyg för att karakterisera både fibern och ljuset. För detta ändamål, forskare från JQI och Army Research Laboratory (ARL) har utvecklat en ny metod för att mäta hur ljus fortplantas genom en nanofiber, så att de kan bestämma nanofiberns tjocklek med en precision som är mindre än en atoms bredd. Tekniken, beskrivs i den 20 januari, 2017 års nummer av tidskriften Optica , är direkt, snabb och, till skillnad från standardbildmetoden, bevarar fiberns integritet. Som ett resultat, sonden kan användas på plats med nanofibertillverkningsutrustningen, som kommer att effektivisera implementeringen i kvantoptik och kvantinformationsexperiment. Att utveckla tillförlitliga och exakta verktyg för den här plattformen kan möjliggöra nanofiberteknologi för avkänning och mätningstillämpningar.

Ljusvågor har en karakteristisk storlek som kallas våglängden. För synligt ljus, våglängden är ungefär 100 gånger mindre än ett människohår. Ljus kan också ha olika former, en sådan solid cirkel, ringa, klöver med mera (se bilden nedan). Fibrer begränsar hur ljusvågor kan färdas och att vrida eller böja en fiber kommer att förändra ljusets egenskaper. Nanofibrer tillverkas genom att omforma en normal fiber till en timglasliknande design, vilket ytterligare påverkar de guidade ljusvågorna.

I detta experiment, forskare injicerar en kombination av ljusa former i en nanofiber. Ljuset passerar nedför en avsmalnande avsmalning, klämmer sig genom en smal midja, och går sedan ut på andra sidan av konan. Den ändrade fiberstorleken förvränger ljusvågorna, och flera mönster framträder från de störande ljusformerna (Se JQI News om att samla in förlorat ljus). Detta är analogt med musikaliska toner, eller ljudvågor, slå ihop för att bilda ett komplext ackord.

Forskarna gör direkta mätningar av interferensmönstren (beats). Att göra detta, de använder en andra mikronstor fiber som fungerar som en icke-invasiv sensor. Nanofibern är på en rörlig scen och korsar sondfibern i en sned vinkel. Vid beröringspunkten, en liten del av nanofiberljus kommer försvinnande in i den andra fibern och går till en detektor. När de skannar sonden längs nanofiberns längd, sonddetektorn samlar in information om de utvecklande mönstren av nanofiberljus. Forskarna övervakar samtidigt ljuset som överförs genom nanofibern för att säkerställa att sondprocessen är ofarlig.

Teamet kan uppnå en hög precision med denna teknik eftersom de inte avbildar fibern med en kamera, som skulle ha en rumslig upplösning begränsad av det insamlade ljusets våglängd. UMD doktorand Pablo Solano förklarar, "Vi ser faktiskt att de olika ljuslägena blandas och det sätter gränserna för att bestämma fibermidjan - i det här fallet sub-ångström." Ett standardverktyg känt som svepelektronmikroskopi (SEM) kan också mäta fiberdimensioner med upplösning i nanoskala. Detta, dock, har en jämförande nackdel, säger Eliot Fenton, en UMD-student som arbetar med projektet, "Med vår nya metod, vi kan undvika att använda SEM, som förstör fibern med avbildningskemikalier och uppvärmning." Andra tekniker innebär att man samlar in slumpmässigt spritt ljus från fibern, som är mindre direkt och känslig för fel. Solano sammanfattar hur forskare kan dra nytta av detta nya verktyg, "Genom att direkt och känsligt mäta interferensen (slag) av ljus utan att förstöra fibern, vi kan veta exakt vilken typ av elektromagnetiskt fält som vi skulle tillämpa på atomer."