Le fibre ottiche sono onnipresenti, portando la luce dove serve. Questi tunnel di vetro sono la ferrovia ad alta velocità di transito delle informazioni, spostare dati a velocità incredibili su distanze enormi. Le fibre sono anche sottili e flessibili, in modo che possano essere immersi in tanti ambienti diversi, compreso il corpo umano, dove sono impiegati per l'illuminazione e l'imaging.

I fisici usano le fibre, pure, in particolare coloro che studiano la fisica atomica e la scienza dell'informazione quantistica. Oltre a far circolare la luce laser, le fibre possono essere utilizzate per creare trappole luminose per atomi super-raffreddati. Gli atomi catturati possono interagire più fortemente con la luce, molto più che se si muovessero liberamente. Questo ambiente piuttosto artificiale può essere utilizzato per esplorare questioni di fisica fondamentale, come il modo in cui una singola particella di luce interagisce con un singolo atomo. Ma può anche aiutare a sviluppare future tecnologie ibride atomiche-ottiche.

Ora, ricercatori del Joint Quantum Institute e dell'Army Research Laboratory hanno sviluppato un sistema ad azione rapida, modo non invasivo di utilizzare la luce in fibra per rivelare informazioni sulle trappole in fibra. Questa tecnica ricorda i sensori biomedici e chimici che utilizzano le fibre per rilevare le proprietà delle molecole vicine. I sensori in fibra sono uno strumento di misurazione interessante perché spesso possono estrarre informazioni senza interrompere completamente fenomeni interessanti che potrebbero verificarsi. La ricerca è apparsa come Editor's Pick sulla rivista Lettere di ottica . Il team ha anche pubblicato un articolo di revisione sulle fibre ottiche su nanoscala nel volume più recente di Advances in Atomic, Molecolare, e fisica ottica.

Fibre ottiche tipiche, come quelli usati nelle comunicazioni e nella medicina, avere solo una piccola quantità di luce vicino alla superficie esterna, e questo non è sufficiente per catturare atomi da un gas circostante. I fisici possono spingere più luce verso l'esterno rimodellando la fibra in modo che assomigli a una minuscola clessidra invece che a un tunnel. La vita della clessidra è centinaia di nanometri, poche volte la larghezza di un capello umano e troppo piccola per contenere le onde luminose che si propagano lungo l'interno della fibra. Ma invece di fermarsi alla costrizione, la luce si schiaccia sulla superficie esterna. Quando i fisici iniettano luce in entrambe le estremità di una tale fibra, le onde luminose si combinano per formare un'increspatura stazionaria attorno alla costrizione. Gli atomi saranno attratti dai cali dell'onda e si allineeranno come una fila di uova in un cartone.

Questo intrappolamento è un esempio di come la luce influenzi gli atomi, attirandoli. Ma la relazione luce-atomo è reciproca:la presenza di atomi può alterare la luce, pure. onde luminose, inviato in un'estremità di una fibra su scala nanometrica, raccoglierà informazioni sugli atomi nelle vicinanze della fibra, e poi convogliarlo ad un rivelatore all'estremità opposta della fibra.

Ogni atomo intrappolato agisce come una biglia in una ciotola di vetro. Quando spinto, una biglia arrotolerà il lato della ciotola, indietro, e poi dall'altra parte. La velocità di questo ciclo è correlata alla curvatura della vasca:pareti più ripide causano cicli più veloci. Ora immagina di far passare una torcia attraverso un lato della ciotola. Mentre va avanti e indietro, la biglia continuerà a passare attraverso il raggio della torcia. Il segnale del raggio lampeggerà alla velocità con cui la biglia si muoveva nella ciotola. In altre parole, le informazioni sul movimento del marmo, e quindi la forma della ciotola, è codificato sul raggio della torcia.

In questa ricerca, il team usa la luce laser come sonda, analogo alla torcia. Nella fibra vengono iniettati solo 70 nanowatt di potenza, spingendo dolcemente gli atomi in movimento. Simile alle oscillazioni di marmo, gli atomi oscillano avanti e indietro nelle loro trappole a scodella. Invece di far lampeggiare e spegnere la spia della sonda, il movimento dell'atomo influenza la direzione in cui oscillano le onde luminose. La velocità dell'atomo che oscilla, che è direttamente correlato alla forma della trappola atomica, sarà impresso sulla luce come cambiamenti più veloci o più lenti.

Quando le onde luminose completano il loro viaggio ed escono dalla fibra, il team li cattura con un rilevatore per monitorare continuamente le oscillazioni della luce atomica. Il processo è veloce, impiegando solo una frazione di millisecondo, e può essere perfettamente integrato in una sequenza sperimentale.

Quando si tratta di misurare queste proprietà delle trappole atomiche, i fisici vogliono evitare i disturbi. Questo può essere difficile da fare perché uno dei modi più efficaci per sondare gli atomi consiste nel farli esplodere con la luce, che possono riscaldarli e persino liberarli dalle loro trappole. Questo metodo convenzionale è accettabile perché gli scienziati possono semplicemente raffreddare e catturare nuovamente gli atomi. In contrasto, la tecnica JQI-ARL utilizza pochissima luce e viene eseguita in situ, il che significa che raccoglie informazioni riducendo al minimo le interruzioni. Questa interessante alternativa promette di semplificare gli esperimenti sulle fibre atomiche.