Los átomos se vuelven transparentes a ciertas frecuencias de luz.

Representación artística de un láser golpeando átomos en una cavidad óptica. Los científicos han descubierto un nuevo fenómeno llamado «transparencia inducida colectivamente» (CIT), donde los grupos de átomos dejan de reflejar la luz en ciertas frecuencias. El equipo encontró este efecto al confinar átomos de iterbio en una cavidad óptica y exponerlos a la luz láser. A ciertas frecuencias, aparecía una ventana transparente en la que la luz pasaba a través de la cavidad sin obstáculos. Crédito: Estudio Ella Maru

El efecto recién observado hace que los átomos sean transparentes a ciertas frecuencias de luz.

Los investigadores de Caltech han descubierto un nuevo fenómeno llamado «transparencia inducida colectivamente» (CIT), donde la luz pasa sin obstáculos a través de grupos de átomos a frecuencias específicas. Este hallazgo podría mejorar potencialmente los sistemas de memoria cuántica.

Un fenómeno recientemente descubierto llamado «transparencia inducida colectiva» (CIT) hace que grupos de átomos dejen de reflejar abruptamente la luz en ciertas frecuencias.

La CIT se descubrió confinando átomos de iterbio dentro de una cavidad óptica, básicamente una pequeña caja para la luz, y disparándolos con un láser. Aunque la luz láser rebota en los átomos hasta cierto punto, a medida que se sintoniza la frecuencia de la luz, aparece una ventana de transparencia en la que la luz simplemente pasa a través de la cavidad sin obstáculos.

«Nunca supimos que existía esta ventana de transparencia», dijo Andrei Faraon (BS ’04) de Caltech, William L. Valentine y coautor de un artículo sobre el descubrimiento publicado el 26 de abril. la revista Naturaleza. «Nuestra investigación se ha convertido esencialmente en un viaje para descubrir por qué».

El análisis de la ventana de transparencia muestra que es el resultado de interacciones entre grupos de átomos y luz en la cavidad. Este fenómeno es similar a la interferencia destructiva, en la que las ondas de dos o más fuentes pueden cancelarse entre sí. Los grupos de átomos absorben y vuelven a emitir luz continuamente, lo que generalmente da como resultado el reflejo de la luz láser. Sin embargo, en la frecuencia CIT, existe un equilibrio creado por la luz reflejada de cada uno de los átomos del grupo, lo que da como resultado una caída en la reflectividad.

«Un conjunto de átomos fuertemente acoplados con el mismo campo óptico puede conducir a resultados inesperados», dijo el coautor Mi Lei, estudiante de posgrado en Caltech.

El resonador óptico, que tiene solo 20 micras de largo e incluye características de menos de 1 micra, fue creado en el Instituto de Nanociencia Kavli de Caltech.

«Usando técnicas de medición de óptica cuántica convencionales, descubrimos que nuestro sistema ha alcanzado un régimen inexplorado, revelando una nueva física», dijo el estudiante graduado Rikuto Fukumori, coautor del artículo.

Además del fenómeno de la transparencia, los investigadores también notaron que una colección de átomos puede absorber y emitir luz láser mucho más rápido o más lento que uno solo.[{» 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.