Presso la TU Wien (Vienna) è stato sviluppato un dispositivo ottico su scala nanometrica che consente alla luce di passare in una sola direzione. È costituito da atomi alcalini accoppiati a fibre di vetro ultrasottili.
Se la luce è in grado di propagarsi da sinistra a destra, di solito è consentita anche la direzione opposta. Normalmente un raggio di luce può essere rimandato al suo punto di origine, semplicemente riflettendolo su uno specchio. I ricercatori della TU Wien hanno sviluppato un nuovo dispositivo per infrangere questa regola. Proprio come in un diodo elettrico, che permette alla corrente di passare solo in una direzione, questo dispositivo a base di fibra di vetro trasmette la luce solo in una direzione. La regola unidirezionale vale anche se l'impulso di luce che passa attraverso la fibra è costituito solo da pochi fotoni. Una tale strada a senso unico per la luce può ora essere utilizzata per chip ottici e può quindi diventare importante per l'elaborazione del segnale ottico.
Elaborazione del segnale ottico al posto dell'elettronica
Gli elementi che consentono il passaggio della luce in una sola direzione sono chiamati "isolatori ottici". "In linea di principio, tali componenti sono in circolazione da molto tempo", dice Arno Rauschenbeutel, dal Centro di Vienna per la scienza e la tecnologia quantistica presso l'Atominstitut presso TU Wien. "La maggior parte degli isolatori ottici, però, si basano sull'effetto Faraday:un forte campo magnetico viene applicato a un materiale trasparente tra due filtri a polarizzazione incrociata. La direzione del campo magnetico determina quindi la direzione in cui la luce può passare".
Per motivi tecnici, i dispositivi che utilizzano l'effetto Faraday non possono essere costruiti su scala nanometrica - un fatto spiacevole, perché questo avrebbe molte applicazioni interessanti. "Oggi, i ricercatori cercano di costruire circuiti ottici integrati, simili alle loro controparti elettroniche", dice Rauschenbeutel. Altri metodi per rompere questa simmetria funzionano solo a intensità molto elevate. Ma nelle nanotecnologie, un obiettivo finale è lavorare con segnali luminosi estremamente deboli, che possono anche essere costituiti da singoli fotoni.
Fibre di vetro e atomi
Il team di Arno Rauschenbeutel ha scelto un approccio completamente diverso:gli atomi di alcali sono stati accoppiati al campo luminoso di una fibra di vetro ultrasottile. In una fibra di vetro, la luce può propagarsi in avanti o indietro. C'è, però, un'altra proprietà della luce che deve essere presa in considerazione:la direzione di oscillazione dell'onda luminosa, detta anche polarizzazione.
L'interazione della luce e della fibra di vetro modifica lo stato di oscillazione della luce. "La polarizzazione ruota, molto simile al rotore di un elicottero", dice Arno Rauschenbeutel. Il senso di rotazione dipende dal fatto che la luce viaggi in avanti o indietro. In un caso, l'onda luminosa oscilla in senso orario e nell'altro, Antiorario. La direzione di propagazione e lo stato di oscillazione dell'onda luminosa sono bloccati tra loro.
Se gli atomi alcalini sono preparati nel giusto stato quantico e accoppiati alla luce nella fibra di vetro ultrasottile, è possibile farli reagire diversamente ai due sensi di rotazione della luce. "La luce nella direzione in avanti non è influenzata dagli atomi. Tuttavia, luce che viaggia all'indietro e di conseguenza ruota al contrario, si accoppia agli atomi alcalini e viene disperso fuori dalla fibra di vetro", dice Arno Rauschenbeutel.
Lo stato atomico come interruttore quantico
Questo effetto è stato dimostrato in due modi diversi alla TU Wien:nel primo approccio, circa 30 atomi sono stati posti lungo la fibra di vetro. Inviando in luce, è stata misurata un'elevata trasmissione di quasi l'80% per una direzione di propagazione mentre era dieci volte inferiore nell'altra direzione. Nel secondo approccio, è stato utilizzato un solo atomo di rubidio. In questo caso, la luce è stata temporaneamente immagazzinata in un microrisonatore ottico, in modo che possa interagire con l'atomo per un tempo relativamente lungo. Per di qua, si potrebbe ottenere un controllo simile sulla trasmissione.
"Quando usiamo un solo atomo, abbiamo un controllo molto più sottile sul processo", dice Rauschenbeutel. "Si può preparare l'atomo in una sovrapposizione quantistica dei due possibili stati, in modo che blocchi la luce e la lasci passare allo stesso tempo." Secondo la fisica classica, questo sarebbe impossibile, ma la fisica quantistica consente tali combinazioni. Questo aprirebbe la porta a nuovi, possibilità entusiasmanti per l'elaborazione ottica delle informazioni quantistiche.
