Fysiker från Tyskland, Danmark, och Österrike har lyckats skapa ett slags vändkors för ljus i glasfibrer som låter ljuspartiklarna bara passera en i taget

Glasfiber, som leder laserljus, är ryggraden i dagens moderna informationssamhälle. Om du tänker på laserljus som en ström av ljuspartiklar, så kallade fotoner, då är dessa helt oberoende av varandra och deras exakta ankomsttid lämnas åt slumpen. Särskilt, två fotoner kan anlända till mottagaren samtidigt. För många applikationer, dock, det är önskvärt att en foton registreras efter den andra, d.v.s. att ljuspartiklarna är uppradade som ett pärlband.

Sådana isolerade fotoner är, till exempel, ett grundläggande krav för kvantkommunikation, där man kan kommunicera på ett i grunden tappsäkert sätt. Tills nu, enstaka kvantemitters såsom en enda atom eller en enda molekyl har vanligtvis fungerat som källor för sådana strömmar av individuella fotoner. Om kvantemittern exciteras med laserljus och fluorescerar, den kommer alltid att avge exakt en foton med varje kvantsprång. För denna typ av källa, Det är då fortfarande en utmaning att effektivt "mata" de emitterade fotonerna till en glasfiber för att skicka så många av dem som möjligt till mottagaren.

Forskare från Tyskland, Danmark och Österrike har nu för första gången lyckats direkt omvandla laserljus i optiska fibrer till en ström av isolerade fotoner med hjälp av en ny effekt. Förslaget till experimentet kom från teoretiska fysiker Dr Sahand Mahmoodian och Prof. Klemens Hammerer vid Leibniz University Hannover och kollegor från Köpenhamns universitet. Det utfördes sedan i forskargruppen av prof. Dr. Arno Rauschenbeutel vid Humboldt-universitetet i Berlin. För det här syftet, forskarna använde ett kraftfullt atom-ljusgränssnitt, där atomer fångas nära en så kallad optisk nanofiber och kopplas på ett kontrollerat sätt till ljuset som leds i nanofibern.

Dessa speciella glasfibrer är hundra gånger tunnare än ett människohår och atomerna hålls på plats 0,2 mikrometer från glasfiberytan med en pincett gjord av laserljus. På samma gång, de kyls av laserljus till en temperatur på några miljondelar av en grad över absolut noll. Detta system gjorde det möjligt för forskarna att exakt kontrollera antalet atomer längs laserstrålen. I experimentet, forskarna analyserade sedan hur ofta fotonerna kom ut ur fibern individuellt eller i par.

När cirka 150 atomer fångades nära nanofibern, det visade sig att det genomsläppta ljuset praktiskt taget bara bestod av isolerade fotoner. Så, kollektivt, atomerna agerade för fotonerna som ett vändkors som reglerar en ström av människor. Förvånande, effekten blev den motsatta när antalet atomer ökades:Då lät atomerna fotonerna passera helst i par.

Denna upptäckt öppnar upp ett helt nytt sätt att inse ljusa, fiberintegrerade enfotonkällor. På samma gång, arbetsprincipen som forskarna demonstrerade kan tillämpas på stora områden av det elektromagnetiska spektrumet (mikrovågor till röntgenstrålar). Detta öppnar för möjligheten att generera enstaka fotoner i spektralområden för vilka inga källor finns tillgängliga än så länge. Forskarna har redan lämnat in en patentansökan för denna teknik.