Strong-coupling quantum optics in free space with holes in a Fermi sea

Licht en materie hebben een complexe relatie. In de alledaagse wereld, wanneer een atoom een flits licht absorbeert en het vervolgens weer uitzendt, wordt de energie meestal alle kanten op verstrooid, zoals een steen die in een kalme vijver wordt gegooid en rimpels in een perfecte cirkel naar buiten stuurt. Deze willekeurige verstrooiing maakt het moeilijk om licht te beheersen voor geavanceerde technologieën, zoals kwantumcomputers of ultrasnelle netwerken, omdat het signaal verloren gaat in de ruis. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers traditioneel fysieke vallen gebouwd, zoals piepkleine spiegels of holle buizen, om het licht in een specifieke richting te dwingen. Echter, deze structuren zijn complex en moeilijk te bouwen. Een recenter idee is om veel atomen in een precieze lijn te rangschikken om te fungeren als één enkele, gigantische antenne die het licht kan richten. Maar wat als een enkel atoom dit zelfstandig zou kunnen doen? Deze vraag staat centraal in nieuw onderzoek naar hoe men een enkel atoom kan laten gedragen als een zeer efficiënte, directionele antenne zonder dat daar spiegels of buizen voor nodig zijn.

De uitdaging bij het gebruik van een enkel atoom is een fundamentele natuurwet met betrekking tot impuls. Wanneer een atoom een foton, of een lichtdeeltje, uitzendt, krijgt het atoom zelf een duwtje naar achteren, vergelijkbaar met een kanon dat terugdeinst wanneer het een granaat afvuurt. Deze duw, bekend als een terugslagkick, verstoort de positie van het atoom en vernietigt de delicate interferentiepatronen die nodig zijn om het licht te focussen. Als het atoom groot is of losjes wordt vastgehouden, zorgt deze terugslag ervoor dat het licht in veel verschillende richtingen wordt verstrooid, wat de kans op het creëren van een sterke, gefocuste straal verpest. Lange tijd geloofden wetenschappers dat een enkel atoom nooit een sterke antenne in de open ruimte kon zijn vanwege deze onvermijdelijke terugslag. Het nieuwe werk stelt een slimme manier voor om dit probleem te omzeilen door gebruik te maken van de regels van de kwantummechanica die bepalen hoe deeltjes zich gedragen wanneer ze identiek zijn.

De onderzoekers stellen een methode voor waarbij een enkel atoom in een val wordt geplaatst naast vele andere identieke atomen, die allemaal fermionen zijn, een specifiek type deeltje dat strikte sociale regels volgt over waar ze kunnen zitten. Stel je een overvolle theater voor waar elke stoel bezet is, behalve één. Als een persoon in een stoel opstaat en probeert naar een andere stoel te bewegen, kan dat alleen als die stoel leeg is. In dit experiment vullen de wetenschappers een val met veel fermionen, waardoor een "zee" van deeltjes ontstaat waarin elke laag-energetische toestand bezet is. Ze brengen vervolgens slechts één van deze atomen in een aangeslagen toestand. Omdat alle andere laag-energetische toestanden al bezet zijn door andere atomen, is het het aangeslagen atoom volgens de kwantumregels verboden om naar een van die toestanden te bewegen wanneer het licht uitzendt. Het wordt geblokkeerd om van beweging te veranderen op een manier die een terugslagkick zou creëren. De enige weg die overblijft voor het atoom is om precies te blijven waar het is, waarbij het licht uitzendt zonder enige achterwaartse duw.

Door deze ongewenste bewegingen te blokkeren, ontdekten de onderzoekers dat de golfachtige natuur van het atoom, die normaal gesproken uitwaaiert, gevormd kan worden om als een gefocuste antenne te fungen. In plaats van licht in alle richtingen te verstrooien, richt het atoom de emissie in een nauwe straal. De studie laat zien dat naarmate er meer fermionen aan de val worden toegevoegd om meer paden te blokkeren, de efficiëntie van deze gerichte emissie drastisch toeneemt. In simulaties ontdekten de onderzoekers dat met een paar honderd van deze blokkerende atomen, een enkel aangeslagen atoom een niveau van controle over licht kan bereiken dat evenaart aan de beste systemen die momenteel met complexe spiegels en buizen worden gebouwd. Dit betekent dat een enkel atoom, wanneer het omringd is door de juiste menigte van zijn gelijken, een krachtig hulpmiddel kan worden voor het opvangen en richten van licht in de vrije ruimte.

De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan alleen het maken van een betere antenne. De onderzoekers toonden aan dat deze opstelling een enkel atoom in staat stelt om als een perfecte spiegel voor licht te fungeren. Als een lichtstraal dit atoom raakt, reflecteert het atoom de gehele straal terug, waardoor het licht dat erdoorheen zou zijn gegaan, wordt geannuleerd. Dit gebeurt omdat het atoom zo efficiënt is in het opnieuw uitzenden van het licht in de tegenovergestelde richting dat het het voorwaartse pad volledig blokkeert. Bovendien suggereert de studie dat dit principe gebruikt kan worden om ketens van atomen te creëren die met elkaar interageren over lange afstanden, waardoor nieuwe patronen van licht en materie ontstaan die niet in de natuur voorkomen. Het werk wijst ook op een manier om atomen te creëren die licht in elk gewenst patroon uitzenden, inclusief het sturen van licht in slechts één richting, een prestatie die normaal gesproken onmogelijk is voor een enkel atoom.

Deze aanpak vereist niet het bouwen van nieuwe hardware of het veranderen van de natuurwetten; het vereist simpelweg het op een specifieke manier rangschikken van bestaande atomen om hun natuurlijke kwantumgedrag uit te buiten. De resultaten, afgeleid van gedetailleerde theoretische berekeningen en simulaties, suggereren dat de beperkingen van de interactie tussen licht en materie op enkel atoomniveau niet zo rigide zijn als voorheen werd aangenomen. Door de kwantumregels van de menigte te gebruiken om het individu te beschermen, hebben wetenschappers mogelijk een nieuwe weg gevonden om de efficiënte, controleerbare interfaces te bouwen die nodig zijn voor de volgende generatie kwantumtechnologie. Het vermogen om een enkel atoom te veranderen in een gerichte antenne of een perfecte spiegel in de open ruimte, opent een deur naar eenvoudigere, robuustere systemen voor het manipuleren van licht, wat potentieel de manier waarop we denken over het bouwen van de kwantumapparaten van de toekomst zal veranderen.