Generation of vortex-squeezed light in a coherently prepared medium

Stel je voor dat het universum een liedje neuriet, maar zelfs in de stilste, donkerste kamer is er een zacht, statisch geruis. Dit is geen kapotte radio; het is de achtergrondruis van het universum, bekend als "kwantumvacuümfluctuaties". Denk eraan als de ruis op een tv-scherm wanneer er geen kanaal wordt afgespeeld — het is de minimale hoeveelheid wazigheid die de natuur toestaat, een regel die is vastgesteld door het beroemde onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Wetenschappers noemen dit de "standaard kwantumlimiet", en het is een beetje een tegenvaller voor iedereen die dingen met extreme precisie probeert te meten. Als je een supergevoelige sensor wilt bouwen om een zwaartekrachtgolf van een botsing tussen zwarte gaten of een minuscuul magnetisch veld van een enkel atoom te detecteren, staat deze statische ruis in de weg.

Om deze ruis te verslaan, gebruiken natuurkundigen een truc genaamd "squeezing" (het samenpersen). Stel je een ballon voor die gevuld is met lucht. Als je de ballon aan de zijkanten samenperst, wordt hij daar dunner, maar hij bolt uit aan de boven- en onderkant. In de kwantumwereld is "squeezed light" (samengeperst licht) als die ballon: wetenschappers verminderen de ruis (de wazigheid) in één specifieke eigenschap van de lichtgolf, zoals de helderheid, maar de ruis moet ergens anders heen, dus neemt het toe in een andere eigenschap, zoals de timing. Dit stelt ons in staat om details te zien die voorheen verborgen waren door de statische ruis.

Stel je nu voor dat je dat samengeperste licht in een kurkentrekker vorm draait. Dit is "vortexlicht", een speciaal soort lichtstraal die een draaiende beweging met zich meedraagt, de orbitale impulsmoment. Het is als een tornado van licht die meer informatie kan dragen dan een rechte straal. De grote vraag is geweest: hoe maken we dit gedraaide, superstille licht zonder ingewikkelde, logge machines te gebruiken die de draaiing zouden kunnen verpesten? Dat is de puzzel die dit nieuwe artikel probeert op te lossen.

In dit onderzoek stellen onderzoekers van Beihang Universiteit in China een slimme nieuwe manier voor om dit "vortex-squeezed" licht te creëren. In plaats van de gebruikelijke zware methoden zoals het splitsen van kristallen of het mengen van vier verschillende lichtstralen, suggereren zij het gebruik van een medium (een wolk van atomen) dat zorgvuldig is "coherent voorbereid". Denk bij deze voorbereiding aan het stemmen van een koor voor een concert; de atomen worden in een specifieke, gesynchroniseerde staat gebracht zodat ze klaar zijn om te dansen op de muziek van het licht.

Het idee van het team is om een "controlestraal" van vortexlicht in dit voorbereide atomische koor te schijnen. Terwijl het licht interacteert met de atomen, vindt er een proces plaats dat Raman-verstrooiing wordt genoemd. Het is een beetje als een spelletje balletje gooien waarbij de controlestraal een bal naar een atoom gooit, het atoom de bal vangt, en de bal vervolgens onmiddellijk in een andere kleur (frequentie) teruggooit. De onderzoekers ontdekten dat deze nieuwe "signaalstraal", die ook een vortex is, naar buiten komt met de ruis eruit geperst. Nog interessanter is dat de oorspronkelijke controlestraal die erin ging, ook wordt samengeperst terwijl deze door het medium reist.

Het artikel, dat een theoretisch voorstel is gebaseerd op wiskundige simulaties in plaats van een fysiek experiment, laat zien dat door een paar knoppen aan hun systeem te draaien — specifgens de "twee-foton detuning" (een manier om het energieverschil tussen het licht en de atomen af te stemmen) en de "grondtoestands-relaxatiesnelheid" (hoe snel de atomen hun gesynchroniseerde dans verliezen) — ze een "sweet spot" kunnen vinden. In deze "sweet spot" is de squeezing maximaal. Ze ontdekten dat hoewel beide stralen stiller worden, de controlestraal daadwerkelijk meer wordt samengeperst dan de signaalstraal die hij creëert.

De onderzoekers keken ook naar hoe "dens" de atoomwolk is. Ze ontdekten dat het hebben van meer atomen (hogere optische dichtheid) hels het licht helpt om sneller een duidelijk pad door het medium te vestigen, maar zod�end het pad duidelijk is, verandert de dichtheid de uiteindelijke ratio van hoeveel licht er doorheen komt niet. Echter, de dichtheid helpt wel om het squeezing-effect als geheel sterker te maken.

Een van de belangrijkste voordelen van deze methode is dat het de noodzaak vermijdt om extra apparaten nodig te hebben om het licht te draaien. Meestal maken wetenschappers normaal samengeperst licht en moeten ze het vervolgens door een speciale modulator leiden om het in een vortex te veranderen, wat de zuiverheid van de straal kan verstoren. Hier wordt de vortexvorm natuurlijk behouden omdat het licht direct met de atomen interacteert in die vorm vanaf het begin.

De auteurs suggereren dat deze opstelling gebouwd kan worden met Rubidium-87 atomen, een veelvoorkomend element in kwantumlaboratoria, met specifieate energieniveaus die fungeren als de sporten van een ladder voor de elektronen. Ze stellen voor dat de "coherente voorbereiding" bereikt kan worden met een techniek genaamd STIRAP, wat een zachte, precieze manier is om de atomen in de juiste staat te brengen zonder ze te verstoren.

Hoewel dit momenteel een theoretisch model is, suggereren de resultaten een flexibele en robuuste manier om hoogwaardig vortex-squeezed licht te genereren. Als dit in een echt laboratorium gebouwd kan worden, zou het een nieuw instrument kunnen bieden voor de toekomst van de kwantumtechnologie, wat potentieel kan helpen om kwantumcomputers, ultra-precieze sensoren en veilige communicatienetwerken nog beter te maken door een schonere, meer gedraaide lichtbron te bieden. De studie benadrukt dat er veel ruimte is om het systeem af te stemmen voor de beste resultaten, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor toekomstige kwantumeperimenten.