Un fenomeno scoperto di recente chiamato trasparenza indotta collettivamente (CIT) fa sì che gruppi di atomi smettano improvvisamente di riflettere la luce a determinate frequenze.

Il CIT è stato scoperto confinando gli atomi di itterbio all’interno di una fotocavità, essenzialmente una piccola scatola di luce, e facendoli esplodere con un laser. Sebbene la luce laser rimbalzi sugli atomi fino a un certo punto, quando la frequenza della luce viene sintonizzata, appare una finestra trasparente in cui la luce passa semplicemente attraverso la cavità senza ostacoli.

afferma Andrei Faraon (BS ’04) del California Institute of Technology (BS ’04), William L. Valentine Professore di fisica applicata e ingegneria elettrica e coautore di un articolo sulla scoperta pubblicato il 26 aprile sulla rivista natura. “La nostra ricerca è diventata principalmente un viaggio per scoprire perché”.

L’analisi della trasparenza della finestra indica che è il risultato di interazioni nella cavità tra gruppi di atomi e luce. Questo fenomeno è simile all’interferenza distruttiva, per cui le onde provenienti da due o più fonti possono annullarsi a vicenda. Gli ammassi di atomi assorbono e riemettono costantemente luce, che generalmente si traduce in un riflesso della luce laser. Tuttavia, alla frequenza CIT, c’è un equilibrio causato dalla luce che viene riemessa da ciascun atomo in un insieme, che porta a una diminuzione della riflettanza.

“Un gruppo di atomi fortemente accoppiati allo stesso campo ottico può portare a risultati inaspettati”, afferma il co-autore principale Mei Li, uno studente laureato al Caltech.

Il risonatore ottico, che è lungo solo 20 μm e include caratteristiche inferiori a 1 μm, è stato fabbricato presso il Kavli Institute for Nanoscience al Caltech.

“Attraverso le tradizionali tecniche di misurazione dell’ottica quantistica, abbiamo scoperto che il nostro sistema ha raggiunto un regime inesplorato, rivelando una nuova fisica”, afferma lo studente laureato Rikuto Fukumori, co-autore principale dell’articolo.

Oltre al fenomeno della trasparenza, i ricercatori notano anche che un gruppo di atomi può assorbire ed emettere luce da un laser molto più velocemente o molto più lentamente rispetto a un singolo atomo, a seconda dell’intensità del laser. Questi processi, chiamati superradiazione e subduzione, e la loro fisica sottostante sono ancora poco conosciuti a causa del gran numero di particelle quantistiche interagenti.

“Siamo stati in grado di osservare e controllare le interazioni quantomeccaniche tra luce e materia su scala nanometrica”, afferma il coautore Joonhee Choi, ex ricercatore post-dottorato al Caltech e ora assistente professore alla Stanford.

Anche se la ricerca è principalmente fondamentale e amplia la nostra comprensione del misterioso mondo degli effetti quantistici, questa scoperta ha il potenziale per aiutare un giorno a spianare la strada a memorie quantistiche più efficienti in cui le informazioni sono immagazzinate in una serie di atomi altamente accoppiati. Farron ha anche lavorato per creare storage quantistico manipolando le interazioni di più atomi di vanadio.

“Oltre ai ricordi, questi sistemi sperimentali forniscono importanti spunti sullo sviluppo delle future comunicazioni tra computer quantistici”, afferma Manuel Endres, professore di fisica e Rosenberg Scholar, coautore dello studio.