I kvantvärlden, under vissa omständigheter och med rätt interferensmönster, ljus kan passera genom ogenomskinliga medier.

Denna egenskap hos ljus är mer än ett matematiskt trick; optiskt kvantminne, optisk lagring och andra system som är beroende av interaktioner av bara ett fåtal fotoner åt gången är beroende av processen, kallas elektromagnetiskt inducerad transparens, även känd som EIT.

På grund av dess användbarhet i befintliga och framväxande kvant- och optiska teknologier, forskare är intresserade av möjligheten att manipulera EIT utan införandet av extern påverkan, som ytterligare fotoner som kan störa det redan känsliga systemet. Nu, forskare vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis har tagit fram ett helt inneslutet optiskt resonatorsystem som kan användas för att slå på och av transparens, möjliggör ett mått av kontroll som har implikationer för en mängd olika applikationer.

Gruppen publicerade resultaten av forskningen, genomfördes i labbet i Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner professor vid Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering, i en artikel med titeln Electromagnetically Induced Transparency at a Chiral Exceptional Point i 13 januari-numret av Naturfysik .

Ett optiskt resonatorsystem är analogt med en elektronisk resonanskrets men använder fotoner istället för elektroner. Resonatorer finns i olika former, men de involverar alla reflekterande material som fångar ljus under en period när det studsar fram och tillbaka mellan eller runt dess yta. Dessa komponenter finns i allt från lasrar till högprecisionsmätenheter.

För sin forskning, Yangs team använde en typ av resonator känd som en viskande gallerilägesresonator (WGMR). Det fungerar på ett sätt som liknar viskningsgalleriet vid St. Paul's Cathedral, där en person på ena sidan av rummet kan höra en person viska på andra sidan. Vad katedralen gör med ljud, dock, WGMR:er gör med ljus – fångar ljus när det reflekterar och studsar längs den krökta omkretsen.

I ett idealiserat system, en fiberoptisk linje skär med en resonator, en ring gjord av kiseldioxid, vid en tangent. När en foton i linjen möter resonatorn, det sveper in, reflekterar och fortplantar sig längs ringen, ut i fibern i samma riktning som den ursprungligen var på väg.

Verklighet, dock, är sällan så snyggt.

"Tillverkning i högkvalitativa resonatorer är inte perfekt, " sa Yang. "Det finns alltid någon defekt, eller damm, som sprider ljuset." Vad som faktiskt händer är att en del av det spridda ljuset ändrar riktning, lämnar resonatorn och reser tillbaka i den riktning den kom ifrån. Spridningseffekterna sprider ljuset, och det lämnar inte systemet.

Föreställ dig en låda runt systemet:Om ljuset kom in i lådan från vänster, gick sedan ut på höger sida, rutan skulle se genomskinlig ut. Men om ljuset som kom in var spritt och inte kom ut, lådan verkar ogenomskinlig.

Eftersom tillverkningsfel i resonatorer är inkonsekventa och oförutsägbara, så var också transparensen. Ljus som kommer in i sådana system sprids och förlorar i slutändan sin styrka; det absorberas i resonatorn, vilket gör systemet ogenomskinligt.

I systemet som tagits fram av de första författarna Changqing Wang, en Ph.D. kandidat, och Xuefeng Jiang, en forskare i Yangs labb, det finns två WGMR:er indirekt kopplade av en fiberoptisk linje. Den första resonatorn har högre kvalitet, har bara en ofullkomlighet. Wang lade till ett litet spetsigt material som fungerar som en nanopartikel till den högkvalitativa resonatorn. Genom att flytta den provisoriska partikeln, Wang kunde "stämma" den, styr hur ljuset inuti sprids.

Viktigt, han kunde också ställa in resonatorn till vad som är känt som en "exceptionell punkt, " en punkt där ett och endast ett tillstånd kan existera. I det här fallet, tillståndet är ljusets riktning i resonatorn:medurs eller moturs.

För experimentet, forskare riktade ljus mot ett par indirekt kopplade resonatorer från vänster (se illustration). Ljusvågen kom in i den första resonatorn, som "justerades" för att säkerställa att ljuset färdades medurs. Ljuset studsade runt omkretsen, gick sedan ut, fortsätter längs fibern till den andra, resonator av lägre kvalitet.

Där, ljuset spreds av resonatorns brister och en del av det började färdas moturs längs omkretsen. Ljusvågen återvände sedan till fibern, men gick tillbaka mot den första resonatorn.

Kritiskt, forskare använde inte bara nanopartikeln i den första resonatorn för att få ljusvågorna att röra sig medurs, de ställde också in den på ett sätt som när ljusvågorna fortplantade sig fram och tillbaka mellan resonatorer, ett speciellt interferensmönster skulle bildas. Som ett resultat av det mönstret, ljuset i resonatorerna släcktes, så att säga, låter ljuset som färdas längs fibern titta förbi, gör systemet transparent.

Det skulle vara som om någon sken på en tegelvägg — inget ljus skulle komma igenom. Men sedan tände en annan person med en annan ficklampa den på samma plats och, helt plötsligt, den där fläcken i väggen blev genomskinlig.

En av de viktigare – och intressanta – funktionerna hos EIT är dess förmåga att skapa "långsamt ljus". Ljusets hastighet är alltid konstant, men det faktiska värdet av den hastigheten kan ändras baserat på egenskaperna hos mediet genom vilket den rör sig. I ett vakuum, ljus färdas alltid vid 300, 000, 000 meter per sekund.

med EIT, människor har saktat ner ljuset till lätta meter per sekund, sa Wang. "Det kan ha betydande inverkan på lagringen av ljusinformation. Om ljuset bromsas ner, vi har tillräckligt med tid för att använda den kodade informationen för optisk kvantberäkning eller optisk kommunikation." Om ingenjörer bättre kan kontrollera EIT, de kan mer tillförlitligt vara beroende av långsamt ljus för dessa applikationer.

Manipulering av EIT kan också användas i utvecklingen av långdistanskommunikation. En avstämningsresonator kan indirekt kopplas till en annan resonator kilometer bort längs samma fiberoptiska kabel. "Du kan ändra det utsända ljuset längs linjen, " sa Yang.

Detta kan vara avgörande för, bland annat, kvantkryptering.