Nel regno quantistico, in alcune circostanze e con i giusti schemi di interferenza, la luce può passare attraverso mezzi opachi.

Questa caratteristica della luce è più di un trucco matematico; memoria quantistica ottica, l'archiviazione ottica e altri sistemi che dipendono dalle interazioni di pochi fotoni alla volta si affidano al processo, chiamata trasparenza elettromagnetica, noto anche come EIT.

A causa della sua utilità nelle tecnologie quantistiche e ottiche esistenti ed emergenti, i ricercatori sono interessati alla capacità di manipolare l'EIT senza l'introduzione di un'influenza esterna, come fotoni aggiuntivi che potrebbero perturbare il già delicato sistema. Ora, i ricercatori della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis hanno ideato un sistema di risonatore ottico completamente contenuto che può essere utilizzato per attivare e disattivare la trasparenza, consentendo una misura di controllo che ha implicazioni su un'ampia varietà di applicazioni.

Il gruppo ha pubblicato i risultati della ricerca, condotto nel laboratorio di Lan Yang, l'Edwin H. &Florence G. Skinner Professor presso il Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering, in un articolo intitolato Trasparenza indotta elettromagneticamente a un punto eccezionale chirale nel numero del 13 gennaio di Fisica della natura .

Un sistema risonatore ottico è analogo a un circuito risonante elettronico ma utilizza fotoni invece di elettroni. I risonatori sono disponibili in diverse forme, ma tutti coinvolgono materiale riflettente che cattura la luce per un periodo di tempo mentre rimbalza avanti e indietro tra o intorno alla sua superficie. Questi componenti si trovano in qualsiasi cosa, dai laser ai dispositivi di misurazione ad alta precisione.

Per la loro ricerca, Il team di Yang ha utilizzato un tipo di risonatore noto come risonatore sussurrante in modalità galleria (WGMR). Funziona in modo simile alla galleria sussurrante della Cattedrale di St. Paul, dove una persona da un lato della stanza può sentire una persona che sussurra dall'altra parte. Cosa fa la cattedrale con il suono, però, I WGMR fanno con la luce, intrappolando la luce mentre riflette e rimbalza lungo il perimetro curvo.

In un sistema idealizzato, una linea in fibra ottica si interseca con un risonatore, un anello di silice, ad una tangente. Quando un fotone nella linea incontra il risonatore, piomba dentro, riflettendosi e propagandosi lungo l'anello, uscendo nella fibra nella stessa direzione in cui era inizialmente diretta.

Realtà, però, raramente è così pulito.

"La fabbricazione di risonatori di alta qualità non è perfetta, " Yang ha detto. "C'è sempre qualche difetto, o polvere, che disperde la luce." Ciò che accade in realtà è che parte della luce diffusa cambia direzione, lasciando il risonatore e tornando indietro nella direzione da cui è venuto. Gli effetti di dispersione disperdono la luce, e non esce dal sistema.

Immagina una scatola intorno al sistema:se la luce entrasse nella scatola da sinistra, poi uscito dal lato destro, la scatola apparirà trasparente. Ma se la luce che entrava si era dispersa e non riusciva a distinguerla, la scatola sembrerebbe opaca.

Poiché le imperfezioni di fabbricazione dei risonatori sono incoerenti e imprevedibili, così era anche la trasparenza. La luce che entra in tali sistemi si disperde e alla fine perde la sua forza; viene assorbito nel risonatore, rendere opaco il sistema.

Nel sistema ideato dai co-primi autori Changqing Wang, un dottorato di ricerca candidato, e Xuefeng Jiang, un ricercatore nel laboratorio di Yang, ci sono due WGMR accoppiati indirettamente da una linea in fibra ottica. Il primo risonatore è di qualità superiore, avere una sola imperfezione. Wang ha aggiunto un piccolo materiale appuntito che agisce come una nanoparticella al risonatore di alta qualità. Spostando la particella improvvisata, Wang è stato in grado di "accordarlo", controllando il modo in cui la luce all'interno si disperde.

È importante sottolineare che è stato anche in grado di sintonizzare il risonatore su quello che è noto come un "punto eccezionale, " un punto in cui può esistere uno e un solo stato. In questo caso, lo stato è la direzione della luce nel risonatore:in senso orario o antiorario.

Per l'esperimento, i ricercatori hanno diretto la luce verso una coppia di risonatori accoppiati indirettamente da sinistra (vedi illustrazione). L'onda luminosa è entrata nel primo risonatore, che è stato "sintonizzato" per garantire che la luce viaggiasse in senso orario. La luce rimbalzava lungo il perimetro, poi uscito, proseguendo lungo la fibra fino alla seconda, risonatore di qualità inferiore.

Là, la luce è stata dispersa dalle imperfezioni del risonatore e parte di essa ha iniziato a viaggiare in senso antiorario lungo il perimetro. L'onda luminosa è quindi tornata alla fibra, ma tornò verso il primo risonatore.

criticamente, i ricercatori non solo hanno usato la nanoparticella nel primo risonatore per far muovere le onde luminose in senso orario, l'hanno anche sintonizzato in un modo che, mentre le onde luminose si propagavano avanti e indietro tra i risonatori, si formerebbe uno speciale schema di interferenza. In conseguenza di tale schema, la luce nei risonatori è stata cancellata, per così dire, permettendo alla luce che viaggia lungo la fibra di passare, rendere trasparente il sistema.

Sarebbe come se qualcuno puntasse una luce su un muro di mattoni:nessuna luce sarebbe passata. Ma poi un'altra persona con un'altra torcia l'ha illuminata nello stesso punto e, all'improvviso, quel punto nel muro divenne trasparente.

Una delle funzioni più importanti e interessanti dell'EIT è la sua capacità di creare "luce lenta". La velocità della luce è sempre costante, ma il valore effettivo di quella velocità può cambiare in base alle proprietà del mezzo attraverso il quale si muove. Nel vuoto, la luce viaggia sempre a 300, 000, 000 metri al secondo.

Con l'EIT, le persone hanno rallentato la luce fino a leight metri al secondo, ha detto Wang. "Ciò può avere un'influenza significativa sulla memorizzazione delle informazioni sulla luce. Se la luce viene rallentata, abbiamo abbastanza tempo per utilizzare le informazioni codificate per il calcolo quantistico ottico o la comunicazione ottica." Se gli ingegneri possono controllare meglio l'EIT, possono dipendere in modo più affidabile dalla luce lenta per queste applicazioni.

La manipolazione dell'EIT potrebbe essere utilizzata anche nello sviluppo della comunicazione a lunga distanza. Un risonatore di sintonia può essere accoppiato indirettamente a un altro risonatore a chilometri di distanza lungo lo stesso cavo in fibra ottica. "Potresti cambiare la luce trasmessa lungo la linea, " ha detto Yang.

Questo potrebbe essere critico per, tra l'altro, crittografia quantistica.