Världens första fotoniska integrerade krets för att manipulera atomer

Elektroniska integrerade kretsar är utan tvekan den viktigaste tekniken på 1900-talet. Genom att möjliggöra bland annat datorbranschen har de förändrat sättet vi arbetar och spelar på i en aldrig tidigare skådad omfattning.

De fotoniska motsvarigheterna till dessa enheter har varit lika utmanande att utveckla och används i stor utsträckning för att manipulera och kontrollera signalerna i optiska fibrer. Men det är rättvist att säga att de ännu inte har nått sin fulla potential.

En möjlighet som är gravid med potential är ljusets förmåga att manipulera och påverka enskilda atomer. Fysiker använder regelbundet ljus för att fånga atomer och joner i vetenskapens namn. Detta har alla möjliga viktiga tillämpningar från kvantkommunikation till att tala om tiden.

Men enheterna som gör allt detta är långt utom räckhåll för någon som har otur nog att inte äga ett välutrustat optiklaboratorium.

Fotoniska integrerade kretsar kan ändra på det. De erbjuder möjligheten att använda ljus för att manipulera enskilda atomer i små fristående enheter som är relativt billiga att tillverka och enkla att använda.

Idag säger Jeff Kimble vid California Institute of Technology i Pasadena och några kompisar att de har byggt det första exemplet på en sådan enhet. Vi rapporterar utvecklingen av den första integrerade optiska kretsen med en fotonisk kristall som kan både lokalisera och sammankoppla atomer med styrda fotoner i enheten, säger de.

Fotoniska kristaller är användbara eftersom deras optiska egenskaper bestäms av den fysiska geometrin, storleken på vågledaren och så vidare. Detta gör att de kan justeras exakt för att bära endast vissa våglängder av ljus.

Den nya enheten är en fotonisk kristall gjord av kiselnitrid som fungerar som en vågledare för laserljus. Knepet som Kimble och co har fulländat är att konstruera den för att bära ljus som är inställt på vissa atomära övergångar i cesium. När en cesiumatom absorberar och sprider dessa våglängder genererar processen krafter som kan användas för att fånga och manipulera atomen.

Den fotoniska kristallen är integrerad i ett system som ger en enkel tillförsel av cesiumatomer och resultatet är en integrerad krets som kan manipulera enskilda cesiumatomer.

Kimble och co har gått igenom det och säger att det fungerar bra och erbjuder enorm potential. Integrationen av nanofotonik och atomfysik har varit ett länge eftersträvat mål som skulle öppna nya gränser för optisk fysik, säger de.

Ansökningarna är många. Denna typ av anordning kommer att vara en viktig byggsten av hög kvalitet för kvantberäkning och kommunikation, eftersom atomerna kan lagra och manipulera information som bärs av fotoner.

Men atomerna kan också agera som andra typer av optiska komponenter, avge ljus med nästan perfekt effektivitet eller reflektera det som en spegel. Och att ha många atomer som interagerar med varandra och med fotoner borde ge några intressanta experimentella möjligheter för fysiker. Det starka samspelet mellan den optiska responsen och stora optiska krafter hos många atomspeglar kan ge upphov till intressanta opto-mekaniska beteenden, såsom självorganisering, säger Kimble och co.

Så det är en intressant proof-of-princip-enhet som kan möjliggöra en ny generation av nanofotoniska experiment. Det är svårt att hävda i detta skede att dessa typer av integrerade fotoniska kretsar kommer att utgöra insidan av massproducerade enheter, som integrerade elektroniska kretsar har gjort. Men det är lika svårt att hävda att de aldrig kommer att göra det. Svaret kommer med tiden!

Ref: arxiv.org/abs/1312.3446 : Atom-ljusinteraktioner i fotoniska kristaller

Dölj