Optiska fibrer är allestädes närvarande, bär ljus överallt där det behövs. Dessa glastunnlar är höghastighetsjärnvägen för informationsöverföring, flytta data med otroliga hastigheter över enorma avstånd. Fiber är också tunna och flexibla, så att de kan fördjupas i många olika miljöer, inklusive människokroppen, där de är anställda för belysning och avbildning.

Fysiker använder fibrer, för, särskilt de som studerar atomfysik och kvantinformationsvetenskap. Bortsett från att skicka laserljus runt, fibrer kan användas för att skapa ljusfällor för superkylda atomer. Fångade atomer kan interagera starkare med ljus, mycket mer än om de rörde sig fritt. Denna ganska konstgjorda miljö kan användas för att utforska grundläggande fysikfrågor, till exempel hur en enda ljuspartikel interagerar med en enda atom. Men det kan också hjälpa till med att utveckla framtida hybrid-atom-optiska tekniker.

Nu, forskare från Joint Quantum Institute och Army Research Laboratory har utvecklat en snabbverkande, icke-invasivt sätt att använda fiberljus för att avslöja information om fiberfällor. Denna teknik påminner om biomedicinska och kemiska sensorer som använder fibrer för att upptäcka egenskaper hos närliggande molekyler. Fibergivare är ett attraktivt mätverktyg eftersom de ofta kan extrahera information utan att helt störa intressanta fenomen som kan pågå. Forskningen framträdde som en Editor's Pick i tidskriften Optikbokstäver . Teamet publicerade också en granskningsartikel om optiska nanoskala -fibrer i den senaste volymen Advances in Atomic, Molekyl, och optisk fysik.

Typiska optiska fibrer, som de som används inom kommunikation och medicin, har bara en liten mängd ljus nära utsidan, och det räcker inte för att fånga atomer från en omgivande gas. Fysiker kan skjuta mer ljus utåt genom att omforma fibern för att se ut som ett litet timglas istället för en tunnel. Timglasets midja är hundratals nanometer, några gånger bredden på ett människohår och för litet för att innehålla ljusvågor som sprider sig längs fiberns insida. Men istället för att bara stanna vid förträngningen, ljuset klämmer till utsidan. När fysiker injicerar ljus i båda ändarna av en sådan fiber, ljusvågorna kombineras tillsammans för att bilda en stationär krusning runt förträngningen. Atomer kommer att attraheras av dopp i vågen och ställa upp som en äggrad i en kartong.

Denna fångst är ett exempel på hur ljus påverkar atomer, drar in dem. Men ljus-atom-förhållandet är ömsesidigt:Närvaron av atomer kan förändra ljuset, för. Ljusvågor, skickas in i ena änden av en nanoskala fiber, kommer att hämta information om atomerna i närheten av fibern, och sedan överföra den till en detektor i fiberns motsatta ände.

Varje infångad atom fungerar som en marmor i en glasskål. När den trycks, en marmor rullar upp skålens sida, backa ner, och sedan upp på andra sidan. Hastigheten på denna cykel är relaterad till skålens krökning:Brantare väggar orsakar snabbare cykler. Tänk dig att lysa en ficklampa genom ena sidan av skålen. När det går fram och tillbaka kommer marmorn att passera genom ficklampan. Strålsignalen kommer att blinka av och på med den hastighet med vilken marmorn rörde sig i skålen. Med andra ord, informationen om marmorrörelsen, och därför skålens form, är kodad på ficklampan.

I denna forskning, teamet använder laserljus som sond, analogt med ficklampan. Bara 70 nanowatt i kraft injiceras i fibern, försiktigt sparkar atomerna i rörelse. Liknar marmor wobbles, atomerna vaggar fram och tillbaka i sina skålfällor. Istället för att få sondlampan att blinka på och av, atomrörelsen påverkar den riktning som ljusvågorna svänger. Hastigheten på atomen som gungar, som är direkt relaterad till atomfällformen, kommer att präglas på ljuset som snabbare eller långsammare förändringar.

När ljusvågorna slutför sin resa och lämnar fibern, teamet fångar dem med en detektor för att kontinuerligt övervaka atomljusoscillationerna. Processen är snabb, tar bara en bråkdel av en millisekund, och den kan integreras sömlöst i en experimentell sekvens.

När det gäller att mäta dessa atomfällegenskaper, fysiker vill undvika störningar. Detta kan vara svårt att göra eftersom ett av de mest effektiva sätten att söka atomer innebär att spränga dem med ljus, som kan värma upp och till och med släppa dem från sina fällor. Denna konventionella metod är acceptabel eftersom forskare bara kan återkalla och återta atomerna. I kontrast, JQI-ARL-tekniken använder mycket lite ljus och görs på plats, vilket innebär att den samlar in information samtidigt som störningar minimeras. Detta tilltalande alternativ lovar att effektivisera atomfiberförsök.