Weltweit erster photonischer integrierter Schaltkreis zur Manipulation von Atomen

Elektronische integrierte Schaltkreise sind wohl die bedeutendste Technologie des 20. Jahrhunderts. Indem sie unter anderem die Computerindustrie ermöglichten, haben sie die Art und Weise, wie wir arbeiten und spielen, in einem noch nie dagewesenen Ausmaß verändert.

Die photonischen Äquivalente dieser Vorrichtungen waren ebenso schwierig zu entwickeln und werden häufig verwendet, um die Signale in Lichtwellenleitern zu manipulieren und zu steuern. Aber es ist fair zu sagen, dass sie ihr volles Potenzial noch nicht ausgeschöpft haben.

Eine potenzialträchtige Möglichkeit ist die Fähigkeit des Lichts, einzelne Atome zu manipulieren und zu beeinflussen. Physiker nutzen Licht regelmäßig, um Atome und Ionen im Namen der Wissenschaft einzufangen. Dies hat alle möglichen wichtigen Anwendungen von der Quantenkommunikation bis zur Zeitmessung.



Aber die Geräte, die all dies leisten, sind für jeden unerreichbar, der das Pech hat, kein gut ausgestattetes Optiklabor zu besitzen.

Photonische integrierte Schaltkreise könnten das ändern. Sie bieten die Möglichkeit, einzelne Atome in kleinen, in sich abgeschlossenen Einheiten mit Licht zu manipulieren, die relativ günstig herzustellen und einfach zu bedienen sind.

Heute sagen Jeff Kimble vom California Institute of Technology in Pasadena und ein paar Freunde, dass sie das erste Beispiel für ein solches Gerät gebaut haben. Wir berichten über die Entwicklung des ersten integrierten optischen Schaltkreises mit einem photonischen Kristall, der Atome mit geführten Photonen im Gerät sowohl lokalisieren als auch verbinden kann, heißt es.

Photonische Kristalle sind nützlich, weil ihre optischen Eigenschaften durch die physikalische Geometrie, die Größe des Wellenleiters usw. bestimmt werden. Dadurch können sie genau so abgestimmt werden, dass sie nur bestimmte Lichtwellenlängen tragen.

Das neue Gerät ist ein photonischer Kristall aus Siliziumnitrid, der als Wellenleiter für Laserlicht fungiert. Der Trick, den Kimble und Co. perfektioniert haben, besteht darin, ihn so zu konstruieren, dass er Licht überträgt, das auf bestimmte atomare Übergänge in Cäsium abgestimmt ist. Wenn ein Cäsiumatom diese Wellenlängen absorbiert und streut, erzeugt der Prozess Kräfte, die verwendet werden können, um das Atom einzufangen und zu manipulieren.

Der photonische Kristall wird in ein System integriert, das einen schnellen Vorrat an Cäsiumatomen bereitstellt, und das Ergebnis ist eine integrierte Schaltung, die in der Lage ist, einzelne Cäsiumatome zu manipulieren.

Kimble und Co haben es auf Herz und Nieren geprüft und sagen, dass es gut funktioniert und großes Potenzial bietet. Die Integration von Nanophotonik und Atomphysik sei ein lang ersehntes Ziel gewesen, das der optischen Physik neue Grenzen eröffnen würde, heißt es.

Die Anwendungen sind zahlreich. Diese Art von Gerät wird ein wichtiger, qualitativ hochwertiger Baustein für die Quantenberechnung und -kommunikation sein, da die Atome Informationen, die von Photonen getragen werden, speichern und manipulieren können.

Aber die Atome können auch wie andere optische Komponenten wirken, indem sie Licht mit nahezu perfekter Effizienz emittieren oder wie ein Spiegel reflektieren. Und viele Atome, die miteinander und mit Photonen wechselwirken, sollten Physikern einige interessante experimentelle Möglichkeiten bieten. Das starke Zusammenspiel zwischen der optischen Reaktion und den großen optischen Kräften vieler Atomspiegel kann zu interessantem optomechanischem Verhalten führen, wie etwa der Selbstorganisation, sagen Kimble und Co.

Das ist also ein interessantes Proof-of-Principle-Gerät, das eine neue Generation nanophotonischer Experimente ermöglichen könnte. Es ist derzeit schwer zu argumentieren, dass diese Art von integrierten photonischen Schaltkreisen das Innere von Massenprodukten bilden werden, wie es integrierte elektronische Schaltkreise getan haben. Aber es ist genauso schwer zu argumentieren, dass sie es nie tun werden. Nur die Zeit kann es verraten!

Ref: arxiv.org/abs/1312.3446 : Atom-Licht-Wechselwirkungen in photonischen Kristallen

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