Nella camera circondata da rame al centro di questa configurazione presso il Centre for Quantum Technologies di Singapore, i fotoni rimbalzano su un singolo atomo. Il controllo di tali interazioni è importante per l'informatica quantistica e la metrologia. Credito:Centro per le tecnologie quantistiche, Università Nazionale di Singapore
Non è facile far rimbalzare una singola particella di luce su un singolo atomo largo meno di un miliardesimo di metro. Però, i ricercatori del Center for Quantum Technologies della National University of Singapore hanno dimostrato di poter raddoppiare le probabilità di successo, un'innovazione che potrebbe essere utile nell'informatica quantistica e nella metrologia. I risultati sono stati pubblicati il 31 ottobre in Comunicazioni sulla natura .
Nel loro esperimento, ricercatori Chin Yue Somma, Matthias Steiner e Christian Kurtsiefer hanno sparato un laser rosso su un atomo di Rubidio accuratamente intrappolato. Hanno confrontato la quantità di luce che viene dispersa quando la luce proviene da una sola direzione, rispetto a quando viene da due.
"Se un atomo invia un fotone, il fotone può andare in qualsiasi direzione. La nostra idea è che per ottenere interazioni più forti tra singoli fotoni e singoli atomi, vogliamo invertire qualunque cosa faccia l'atomo. Quindi qui l'illuminazione arriva da tutte le direzioni, " spiega Steiner.
Primo, hanno focalizzato il laser rosso attraverso una lente fortemente focalizzata posizionata davanti all'atomo. L'atomo è stato manovrato per trovarsi nel punto focale dell'obiettivo. In questa configurazione, circa 1 su 5 dei fotoni laser è rimbalzato sull'atomo.
Prossimo, la squadra ha diviso il raggio laser, inviando metà intorno alla parte anteriore e metà intorno alla parte posteriore dell'atomo. Dietro, il laser è passato di nuovo attraverso una lente fortemente focalizzata per raggiungere l'atomo.
Questa configurazione a doppia lente è nota come microscopia 4Pi. È una tecnica di imaging a super risoluzione inventata dal premio Nobel Stefan Hell. Il nome deriva dal modo in cui gli angoli sono descritti in tre dimensioni:quattro π descrivono una sfera piena.
Una tecnica di imaging chiamata microscopia 4Pi aumenta la risoluzione inserendo il campione tra due lenti a forte messa a fuoco. I ricercatori quantistici hanno dimostrato che prendere in prestito questo trucco della lente può aumentare le interazioni tra i fotoni e un singolo atomo. Credito:Ale Cere / Centro per le tecnologie quantistiche, Università Nazionale di Singapore
Con la luce che arriva da entrambi i lati, l'atomo si è sparso intorno a 2 fotoni ogni 5 - il doppio di quello che è stato visto con una sola lente.
L'atomo non solo ha cambiato la direzione dei fotoni, ma anche il loro distanziamento. Alla luce laser, i fotoni sono spaziati casualmente, con alcuni che arrivano vicini e altri separati da grandi lacune. Il team ha rilevato che, dopo aver passato l'atomo, i fotoni avevano meno probabilità di arrivare insieme. Questa è la prova di un'interazione tra atomi e fotoni che è "non lineare".
"C'è molta fisica da studiare nelle interazioni non lineari con i fotoni, " dice Chin. L'effetto è cruciale per l'elaborazione delle informazioni memorizzate nella luce, per esempio nel calcolo quantistico ottico.
