El efecto recién observado hace que los átomos sean transparentes a ciertas frecuencias de luz.

Investigadores del Instituto de Tecnología de California han descubierto un nuevo fenómeno, “transparencia inducida colectivamente” (CIT), en el que la luz pasa sin obstáculos a través de grupos de átomos a ciertas frecuencias. Este descubrimiento podría conducir a mejoras en los sistemas de memoria cuántica.

Un fenómeno recién descubierto llamado transparencia inducida colectivamente (CIT) hace que grupos de átomos dejen de reflejar repentinamente la luz en ciertas frecuencias.

CIT se descubrió al confinar átomos de iterbio dentro de una fotocavidad, esencialmente una pequeña caja de luz, y dispararlos con un láser. Aunque la luz láser rebota en los átomos hasta cierto punto, a medida que se sintoniza la frecuencia de la luz, aparece una ventana transparente en la que la luz simplemente pasa a través de la cavidad sin obstrucciones.

Andrei Faraon del Instituto de Tecnología de California (BS ’04) y William L. Profesor de Física Aplicada e Ingeniería Eléctrica le dice al Journal naturaleza. “Nuestra investigación básicamente se convirtió en un viaje para descubrir por qué”.

El análisis de la transparencia de la ventana indica que es el resultado de interacciones en la cavidad entre grupos de átomos y luz. Este fenómeno es similar a la interferencia destructiva, en la que las ondas de dos o más fuentes pueden cancelarse entre sí. Los grupos de átomos absorben y vuelven a emitir luz constantemente, lo que generalmente resulta en un reflejo de la luz láser. Sin embargo, en la frecuencia CIT, existe un equilibrio causado por la reemisión de luz de cada átomo en un conjunto, lo que conduce a una disminución en la reflectancia.

“Un grupo de átomos que están fuertemente acoplados al mismo campo óptico puede dar lugar a resultados inesperados”, dice la coautora principal Mei Li, estudiante graduada de Caltech.

El resonador óptico, que tiene solo 20 μm de longitud e incluye características de menos de 1 μm, fue fabricado en el Instituto Kavli de Nanociencia en Caltech.

“A través de las técnicas tradicionales de medición de la óptica cuántica, hemos descubierto que nuestro sistema ha alcanzado un régimen inexplorado, lo que revela una nueva física”, dice el estudiante graduado Rikuto Fukumori, coautor principal del artículo.

Además del fenómeno de la transparencia, los investigadores también notaron que el grupo de átomos puede absorber y emitir luz del láser mucho más rápido o mucho más lento que por sí solo.[{” attribute=””>atom depending on the intensity of the laser. These processes, called superradiance and subradiance, and their underlying physics are still poorly understood because of the large number of interacting quantum particles.

“We were able to monitor and control quantum mechanical light–matter interactions at nanoscale,” says co-corresponding author Joonhee Choi, a former postdoctoral scholar at Caltech who is now an assistant professor at Stanford University.

Though the research is primarily fundamental and expands our understanding of the mysterious world of quantum effects, this discovery has the potential to one day help pave the way to more efficient quantum memories in which information is stored in an ensemble of strongly coupled atoms. Faraon has also worked on creating quantum storage by manipulating the interactions of multiple vanadium atoms.

“Besides memories, these experimental systems provide important insight about developing future connections between quantum computers,” says Manuel Endres, professor of physics and Rosenberg Scholar, who is a co-author of the study.

Reference: “Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters” by Mi Lei, Rikuto Fukumori, Jake Rochman, Bihui Zhu, Manuel Endres, Joonhee Choi and Andrei Faraon, 26 April 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05884-1

Coauthors include Bihui Zhu of the University of Oklahoma and Jake Rochman (MS ’19, PhD ’22). This research was funded by the Department of Energy, the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, and the Office of Naval Research.