Atomer kan absorbera och återutsända ljus – det här är ett vardagsfenomen. I de flesta fall avger emellertid en atom en ljuspartikel i alla möjliga riktningar – att återfå denna foton är därför ganska svårt.
Ett forskarlag från TU Wien i Wien (Österrike) har nu teoretiskt kunnat demonstrera att med hjälp av en speciell lins kan en enskild foton som emitteras av en atom garanteras återabsorberas av en andra atom. Denna andra atom absorberar dock inte bara fotonen, utan återför den direkt tillbaka till den första atomen. På så sätt skickar atomerna fotonen till varandra med precision om och om igen – precis som i pingis.
"Om en atom sänder ut en foton någonstans i det fria utrymmet är emissionsriktningen helt slumpmässig. Det gör det praktiskt taget omöjligt att få en annan avlägsen atom att fånga denna foton igen", säger prof. Stefan Rotter från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. "Fotonen fortplantar sig som en våg, vilket innebär att ingen kan säga exakt i vilken riktning den rör sig. Det är därför en ren slump om ljuspartikeln återabsorberas av en andra atom eller inte."
Situationen är annorlunda om experimentet inte utförs i fritt utrymme utan i en sluten miljö. Något liknande är känt från så kallade viskningsgallerier inom akustik:om två personer placerar sig i ett elliptiskt rum exakt i ellipsens brännpunkter kan de höra varandra perfekt – även när de bara viskar tyst.
Ljudvågorna reflekteras av den elliptiska väggen på ett sådant sätt att de möts igen exakt där den andra personen står – den här personen kan därför höra den tysta viskningen perfekt.
"I princip skulle något liknande kunna byggas för ljusvågor när man placerar två atomer i brännpunkterna för en ellips", säger Oliver Diekmann, den första författaren till den aktuella publikationen. "Men i praktiken skulle de två atomerna behöva placeras mycket exakt vid dessa brännpunkter."
Forskargruppen kom därför på en bättre strategi baserad på konceptet med fisheye-linsen, som utvecklades av James Clerk Maxwell, grundaren av klassisk elektrodynamik. Linsen innefattar ett rumsligt varierande brytningsindex. Medan ljus färdas i raka linjer i ett enhetligt medium som luft eller vatten, böjs ljusstrålar i en Maxwell fisheye-lins.
"På detta sätt är det möjligt att säkerställa att alla strålar som emanerar från en atom når linsens kant på en krökt bana, sedan reflekteras och sedan kommer fram till målatomen på en annan krökt bana", förklarar Oliver Diekmann. I det här fallet fungerar effekten mycket mer effektivt än i en enkel ellips, och avvikelser från atomernas ideala positioner är mindre skadliga.
"Ljusfältet i den här Maxwell fisheye-linsen består av många olika oscillerande lägen. Detta påminner om att spela ett musikinstrument där olika övertoner genereras samtidigt", säger Stefan Rotter. "Vi kunde visa att kopplingen mellan atomen och dessa olika oscillerande lägen kan anpassas på ett sådant sätt att fotonen överförs från en atom till den andra nästan säkert - helt annorlunda än vad som skulle vara fallet i det fria rymden ."
När atomen har absorberat fotonen lämnas den i ett tillstånd av högre energi tills den återutsänder fotonen efter en mycket kort tid. Sedan börjar spelet om:de två atomerna byter roller, och fotonen returneras från mottagaratomen till den ursprungliga avsändaratomen – och så vidare.
Effekten har demonstrerats teoretiskt, men praktiska tester är möjliga med dagens teknik. – I praktiken skulle effektiviteten kunna ökas ytterligare genom att använda inte bara två atomer, utan två grupper av atomer, säger Stefan Rotter. "Konceptet kan vara en intressant utgångspunkt för kvantkontrollsystem för att studera effekter vid extremt stark ljus-materia-interaktion."
Verket publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Mer information: Oliver Diekmann et al, Ultrafast Excitation Exchange in a Maxwell Fish-Eye Lens, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.013602
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
