Manipulation af enkeltfotoner i Physical Review

Callum Murray og Thomas Pohl fra IFA og Max Planck instituttet i Dresden har 13. juni 2017 publiceret en artikel om muligheder for at styre enkeltfotoner i en kold gas

05.10.2017 | Ole J. Knudsen

En polariton bliver bremset af en anden, og den 'indbyggede' foton udsendes i en tilfældig eller kontrolleret retning

Fotoner vekselvirker ikke med hinanden i et vacuum, så de kan frit passere hinanden og igennem hinanden uden nogen virkning. Det er en kendt sag! Det er meget vigtigt, at det er sådan, for ellers ville optisk kommunikation f.eks. langdistance via lysfibre ikke fungere, og der ville ske mærkelige ting, hvis man lod lysstrålerne fra to lygter krydse hinanden - måske lige så mærkelige som lyssværdene fra StarWars . Men der er mange andre nye teknologier, hvor det ville være en fordel, hvis man kunne få to fotoner til at vekselvirke med en tredje, så een foton kunne påvirke udbredelsen eller tilstanden for en anden. Det er ikke-lineær optik i yderste konsekvens, på et niveau, hvor vi ser på individuelle lyskvanter.

 En af de måder, man kan bruge for at få fotoner til at vekselvirke, ihvertfald kunstigt, er at konvertere dem til såkaldte polariton eksitationer i stoffer, som viser kraftig vekselvirkning imellem deres mikroskopiske bestanddele. Under sådanne omstændigheder kan fotoner i praksis låne vekselvirkninger fra mediet - stoffet. Ud fra den tankegang, præsenterer forskergruppen her et forslag til en ny måde at styre kontrollerede foton-foton vekselvirkninger. Nærmere bestemt skabes en situation, hvor den betingede tilstedeværelse af een polariton kan forårsage, at en anden kan ændres imellem to slags 'smag' eller typer, som bevæger sig med helt forskellige egenskaber. I artiklen vises også hvordan dette polaritonskift kan få fotoner til at fungere som spejle, så de støder sammen og afbøjes som billardkugler.

I en meget kold gas af 87Rb, hvor alle atomer er i eller nær ved grundtilstanden, skabes med laserlys et rydbergatom, altså et kraftigt eksiteret atom. Sendes en enkelt foton ind i gassen, opstår der en slags interferenssituation; en polariton, hvor fotonen kobles til et andet rydbergatom. Den energi, som fotonen repræsenterer, kan så bevæge sig igennem gassen som en polariton med lave hastigheder, og atom og foton kan så senere afkobles, så den resulterende fotonenergi i praksis har bevæget sig igennem gassen med en hastighed, som er lavere end lysets. Rydbergatomer vekselvirker dog yderst stærkt med hinanden, så når polaritonen nærmer sig rydbergatomet, sker der en afkobling, og fotonen spredes i en ubestemmelig retning - lyset blokeres. De to århusforskere har fundet en særlig kombination af energitilstande, hvor dette ikke sker. Resultatet vil være, at den indkommende foton ved vekselvirkningen reflekteres tilbage i modsat retning af, hvor den kom fra. Gassen fungerer altså som et spejl, som kan indfange og spejle enkeltfotoner, og som kan "slås til eller fra" efter forgodtbefindende.

Endnu er opdagelsen på teoretisk niveau, men de to aarhusforskere forestiller sig fremtidige anvendelser at teknikken, hvor man på enkeltfotonniveau kan skabe spejle, filtre, kontakter og transistorer.

Artiklen med titlen Coherent Photon Manipulation in Interacting Atomic Ensembles findes her.

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende