Les atomes deviennent transparents à certaines fréquences de lumière

L’effet nouvellement observé rend les atomes transparents à certaines fréquences de lumière

Des chercheurs du California Institute of Technology ont découvert un nouveau phénomène, la « transparence induite collectivement » (CIT), dans lequel la lumière passe sans entrave à travers des groupes d’atomes à certaines fréquences. Cette découverte pourrait conduire à des améliorations dans les systèmes de mémoire quantique.

Un phénomène récemment découvert appelé transparence induite collectivement (CIT) fait que des groupes d’atomes cessent soudainement de réfléchir la lumière à certaines fréquences.

Le CIT a été découvert en confinant des atomes d’ytterbium à l’intérieur d’une photocavité – essentiellement une petite boîte de lumière – et en les faisant exploser avec un laser. Bien que la lumière laser rebondisse sur les atomes jusqu’à un certain point, lorsque la fréquence de la lumière est réglée, une fenêtre transparente apparaît dans laquelle la lumière passe simplement à travers la cavité sans être obstruée.

Andrei Faraon du California Institute of Technology (BS ’04) et professeur William L. de physique appliquée et de génie électrique déclare au Journal nature. « Notre recherche est devenue essentiellement un voyage pour découvrir pourquoi. »

L’analyse de la transparence de la fenêtre indique qu’elle est le résultat d’interactions dans la cavité entre des groupes d’atomes et la lumière. Ce phénomène est similaire à l’interférence destructive, dans laquelle les ondes provenant de deux ou plusieurs sources peuvent s’annuler. Des grappes d’atomes absorbent et réémettent constamment de la lumière, ce qui entraîne généralement une réflexion de la lumière laser. Cependant, à la fréquence CIT, il existe un équilibre provoqué par la réémission de la lumière de chaque atome d’un ensemble, ce qui entraîne une diminution de la réflectance.

« Un groupe d’atomes fortement couplés au même champ optique peut conduire à des résultats inattendus », explique le co-auteur principal Mei Li, étudiant diplômé à Caltech.

Le résonateur optique, qui ne mesure que 20 μm de long et comprend des caractéristiques inférieures à 1 μm, a été fabriqué à l’Institut Kavli pour les nanosciences à Caltech.

« Grâce aux techniques de mesure traditionnelles de l’optique quantique, nous avons découvert que notre système avait atteint un régime inexploré, révélant une nouvelle physique », déclare l’étudiant diplômé Rikuto Fukumori, co-auteur principal de l’article.

Outre le phénomène de transparence, les chercheurs notent également que le groupe d’atomes peut absorber et émettre la lumière du laser soit beaucoup plus rapidement, soit beaucoup plus lentement que par lui-même.[{ » attribute= » »>atom depending on the intensity of the laser. These processes, called superradiance and subradiance, and their underlying physics are still poorly understood because of the large number of interacting quantum particles.

“We were able to monitor and control quantum mechanical light–matter interactions at nanoscale,” says co-corresponding author Joonhee Choi, a former postdoctoral scholar at Caltech who is now an assistant professor at Stanford University.

Though the research is primarily fundamental and expands our understanding of the mysterious world of quantum effects, this discovery has the potential to one day help pave the way to more efficient quantum memories in which information is stored in an ensemble of strongly coupled atoms. Faraon has also worked on creating quantum storage by manipulating the interactions of multiple vanadium atoms.

“Besides memories, these experimental systems provide important insight about developing future connections between quantum computers,” says Manuel Endres, professor of physics and Rosenberg Scholar, who is a co-author of the study.

Reference: “Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters” by Mi Lei, Rikuto Fukumori, Jake Rochman, Bihui Zhu, Manuel Endres, Joonhee Choi and Andrei Faraon, 26 April 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05884-1

Coauthors include Bihui Zhu of the University of Oklahoma and Jake Rochman (MS ’19, PhD ’22). This research was funded by the Department of Energy, the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, and the Office of Naval Research.