I den kopparomslutna kammaren i mitten av denna installation vid Center for Quantum Technologies i Singapore, fotoner studsar av en enda atom. Att kontrollera sådana interaktioner är viktigt för kvantberäkning och metrologi. Upphovsman:Center for Quantum Technologies, National University of Singapore
Det är inte lätt att studsa en enda ljuspartikel från en enda atom som är mindre än en miljarddels meter bred. Dock, forskare vid Center for Quantum Technologies vid National University of Singapore har visat att de kan fördubbla oddsen för framgång, en innovation som kan vara användbar inom kvantberäkning och metrologi. Resultaten publicerades 31 oktober i Naturkommunikation .
I deras experiment, forskare Chin Yue Sum, Matthias Steiner och Christian Kurtsiefer avfyrade en röd laser mot en noggrant fångad Rubidium-atom. De jämförde hur mycket av ljuset som sprids bort när ljuset kommer från bara en riktning, kontra när det kommer från två.
"Om en atom skickar ut en foton, fotonen kan gå åt vilket håll som helst. Vår idé är att för att få starkare interaktioner mellan enstaka fotoner och enstaka atomer, vi vill vända vad atomen än gör. Så här kommer belysningen från alla håll, "förklarar Steiner.
Först, de fokuserade den röda lasern genom ett starkt fokuserat objektiv placerat framför atomen. Atomen manövrerades för att ligga vid linsens fokuspunkt. I denna konfiguration, ungefär 1 av 5 av laserfotonerna studsade av atomen.
Nästa, laget delade laserstrålen, skicka hälften runt framsidan och hälften runt baksidan av atomen. Längst bak, lasern passerade igen genom en starkt fokuserad lins för att nå atomen.
Denna dubbelglasskonfiguration kallas 4Pi-mikroskopi. Det är en superupplöst bildteknik som uppfanns av nobelpristagaren Stefan Hell. Namnet kommer från hur vinklar beskrivs i tre dimensioner:fyra π beskriver en hel sfär.
En bildteknik som kallas 4Pi-mikroskopi ökar upplösningen genom att klämma in provet mellan två starkt fokuserade linser. Kvantforskare har visat att låna detta lins trick kan öka interaktioner mellan fotoner och en enda atom. Upphovsman:Ale Cere / Center for Quantum Technologies, National University of Singapore
Med ljuset som kommer från båda sidor, atomen spridda runt 2 av varje 5 fotoner - det dubbla av vad som sågs med bara en lins.
Atomen ändrade inte bara fotonernas riktning, men också deras avstånd. I laserljus, fotoner är slumpmässigt fördelade, med några som kommer nära varandra och andra åtskilda av stora luckor. Teamet upptäckte att efter att ha passerat atomen, fotonerna var mindre benägna att komma fram tillsammans. Detta är bevis på en interaktion mellan atomerna och fotonerna som är 'olinjär'.
"Det finns mycket fysik att undersöka i olinjära interaktioner med fotoner, "säger Chin. Effekten är avgörande för bearbetning av information lagrad i ljus, till exempel inom optisk kvantberäkning.
