Forskare vid Light-Matter Interactions for Quantum Technologies Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har genererat Rydberg-atomer - ovanligt stora exciterade atomer - nära nanometertunna optiska fibrer. Deras fynd, publicerades nyligen i Physical Review Research , markera framsteg mot en ny plattform för kvantinformationsbehandling, som har potential att revolutionera material- och läkemedelsupptäckter och ge säkrare kvantkommunikation.

På grund av deras extraordinära känslighet för elektriska och magnetiska fält, Rydberg-atomer har länge väckt fysikers intressen. Används i kombination med optiska nanofibrer, dessa hyperkänsliga atomer kan spela en avgörande roll i nya typer av skalbara kvantenheter. Dock, Rydberg-atomer är särskilt svåra att kontrollera.

"Huvudsyftet med studien var att föra Rydberg-atomer i närheten av nanofibrerna, " sa Krishnapriya Subramonian Rajasree, en Ph.D. student vid OIST och studiens första författare. "Denna uppsättning skapar ett nytt system för att studera interaktioner mellan Rydberg-atomer och nanofiberytor."

Ovanliga atomer

För att utföra sin forskning, forskarna använde en anordning som kallas en magneto-optisk fälla för att fånga ett kluster av Rubidium (Rb) atomer. De reducerade temperaturen på atomerna till cirka 120 mikrokelvin - bråkdelar av en grad över absolut noll och körde en nanofiber genom atommolnet.

Sedan, forskarna exciterade Rb-atomerna till ett mer energiskt Rydberg-tillstånd, med hjälp av en 482 nm ljusstråle som färdas genom nanofibern. Dessa Rydberg-atomer, som bildades runt nanofiberytan, är större i storlek än sina vanliga motsvarigheter. När atomernas elektroner fick energi, de flyttade längre från atomkärnan, skapa större atomer. Denna ovanliga storlek ökar atomernas känslighet för sin omgivning och för närvaron av andra Rydberg-atomer.

Genom deras experiment, forskarna förde Rydberg-atomerna inom bara nanometer från den optiska nanofibern, möjliggör ökad interaktion mellan atomerna och ljuset som färdas i nanofibern. På grund av deras onormala egenskaper, Rydberg-atomerna undkom den magneto-optiska fällan. Forskarna kunde förstå aspekter av Rydberg-atomens beteende genom att undersöka hur förlusten av atomer berodde på ljusets kraft och våglängd.

Förmågan att använda ljus som färdas i en optisk nanofiber för att excitera och sedan kontrollera Rydberg-atomer kan hjälpa till att bana väg mot metoder för kvantkommunikation, samtidigt som det förebådar inkrementella framsteg mot kvantberäkning, sa forskarna.

"Att förstå interaktioner mellan ljus och Rydberg-atomer är avgörande, " sa Dr Jesse Everett, en postdoktor vid OIST och medförfattare till studien. "Att utnyttja dessa atomer kan möjliggöra säker dirigering av kommunikationssignaler med mycket små mängder ljus."

Går vidare, forskarna hoppas kunna studera Rydberg-atomernas egenskaper ytterligare i samband med optiska nanofibrer. I framtida studier, de tänker titta på Rydberg-atomer som är ännu större i storlek, att utforska möjligheterna och gränserna för detta system.