En optisk enhet i nanoskala som tillåter ljus att passera i endast en riktning har utvecklats vid TU Wien (Wien). Den består av alkaliatomer som är kopplade till ultratunna glasfibrer.
Om ljuset kan spridas från vänster till höger, den motsatta riktningen är vanligtvis tillåten också. En ljusstråle kan normalt skickas tillbaka till sin ursprungspunkt, bara genom att reflektera det i en spegel. Forskare vid TU Wien har utvecklat en ny enhet för att bryta mot denna regel. Precis som i en elektrisk diod, som tillåter ström att passera endast i en riktning, denna glasfiberbaserade enhet sänder ljus endast i en riktning. Envägsregeln gäller även om ljuspulsen som passerar genom fibern bara består av ett fåtal fotoner. En sådan enkelriktad gata för ljus kan nu användas för optiska chips och kan därmed bli viktig för optisk signalbehandling.
Optisk signalbehandling istället för elektronik
Element som tillåter ljus att passera i endast en riktning kallas "optiska isolatorer". "I princip, sådana komponenter har funnits länge", säger Arno Rauschenbeutel, från Wien Center for Quantum Science and Technology vid Atominstitut vid TU Wien. "De flesta optiska isolatorer, dock, baseras på Faraday-effekten:Ett starkt magnetfält appliceras på ett transparent material mellan två korsade polarisationsfilter. Riktningen på magnetfältet bestämmer sedan i vilken riktning ljus tillåts passera."
Av tekniska skäl, enheter som använder Faraday-effekten kan inte konstrueras i nanoskala – ett olyckligt faktum, eftersom detta skulle ha många intressanta tillämpningar. "I dag, forskare försöker bygga optiska integrerade kretsar, liknande deras elektroniska motsvarigheter", säger Rauschenbeutel. Andra metoder för att bryta denna symmetri fungerar bara vid mycket höga intensiteter. Men inom nanoteknik, ett slutmål är att arbeta med extremt svaga ljussignaler, som till och med kan bestå av enskilda fotoner.
Glasfibrer och atomer
Arno Rauschenbeutels team valde ett helt annat tillvägagångssätt:Alkaliatomer kopplades till ljusfältet hos en ultratunn glasfiber. I en glasfiber, ljuset kan fortplanta sig framåt eller bakåt. Det finns, dock, en annan egenskap hos ljus som måste beaktas:ljusvågens oscillationsriktning, även kallad polarisering.
Interaktionen mellan ljus och glasfibern modifierar ljusets oscillationstillstånd. "Polariseringen roterar, ungefär som en helikopters rotor", säger Arno Rauschenbeutel. Rotationskänslan beror på om ljuset färdas framåt eller bakåt. I ett fall, ljusvågen svänger medurs och i den andra, moturs. Utbredningsriktningen och oscillationstillståndet för ljusvågen är låsta till varandra.
Om alkaliatomerna prepareras i rätt kvanttillstånd och kopplas till ljuset i den ultratunna glasfibern, det är möjligt att få dem att reagera olika på de två sinnena för ljusrotation. "Ljuset i framåtriktningen påverkas inte av atomerna. ljus som färdas bakåt och följaktligen roterar åt andra hållet, kopplas till alkaliatomerna och sprids ut ur glasfibern", säger Arno Rauschenbeutel.
Atomtillståndet som en kvantomkopplare
Denna effekt har visats på två olika sätt vid TU Wien:I det första tillvägagångssättet, cirka 30 atomer placerades längs glasfibern. Efter att ha skickat in ljus, en hög transmission på nästan 80 % uppmättes för en utbredningsriktning medan den var tio gånger mindre i den andra riktningen. I det andra tillvägagångssättet, endast en enda rubidiumatom användes. I detta fall, ljuset lagrades tillfälligt i en optisk mikroresonator, så att den kunde interagera med atomen under en relativt lång tid. Den här vägen, liknande kontroll över transmissionen skulle kunna uppnås.
"När vi bara använder en enda atom, vi har en mycket mer subtil kontroll över processen", säger Rauschenbeutel. "Man kan förbereda atomen i en kvantöverlagring av de två möjliga tillstånden, så att det blockerar ljuset och låter det passera samtidigt." Enligt klassisk fysik, detta skulle vara omöjligt, men kvantfysiken tillåter sådana kombinationer. Detta skulle öppna dörren till nya, spännande möjligheter för optisk bearbetning av kvantinformation.
