Concepção artística de átomos atingindo um laser em uma cavidade óptica. Os cientistas descobriram um novo fenômeno chamado “transparência induzida coletivamente” (CIT), no qual grupos de átomos param de refletir a luz em certas frequências. A equipe descobriu esse efeito prendendo átomos de itérbio em uma cavidade óptica e expondo-os à luz do laser. Em certas frequências, uma janela transparente apareceu através da qual a luz contornou a cavidade sem impedimentos. Crédito: Estúdio Ella Maru

O efeito recém-observado torna os átomos transparentes para certas frequências de luz

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia descobriram um novo fenômeno, “transparência induzida coletivamente” (CIT), no qual a luz passa desimpedida por grupos de átomos em certas frequências. Essa descoberta pode levar a melhorias nos sistemas de memória quântica.

Um fenômeno recém-descoberto chamado transparência induzida coletivamente (CIT) faz com que grupos de átomos parem repentinamente de refletir a luz em certas frequências.

O CIT foi descoberto confinando átomos de itérbio dentro de uma fotocavidade – essencialmente uma pequena caixa de luz – e explodindo-os com um laser. Embora a luz do laser rebata os átomos até certo ponto, à medida que a frequência da luz é ajustada, aparece uma janela transparente na qual a luz simplesmente passa pela cavidade sem obstruções.

Andrei Faraon do Instituto de Tecnologia da Califórnia (BS ’04) e William L. Professor de Física Aplicada e Engenharia Elétrica diz ao Journal natureza. “Nossa pesquisa basicamente se tornou uma jornada para descobrir o porquê.”

A análise da transparência da janela indica que ela é o resultado de interações na cavidade entre grupos de átomos e luz. Esse fenômeno é semelhante à interferência destrutiva, em que as ondas de duas ou mais fontes podem se anular. Aglomerados de átomos constantemente absorvem e reemitem luz, o que geralmente resulta na reflexão da luz do laser. Porém, na frequência CIT, há um equilíbrio causado pela reemissão de luz de cada átomo de um conjunto, o que leva a uma diminuição da refletância.

“Um grupo de átomos fortemente acoplados ao mesmo campo óptico pode levar a resultados inesperados”, diz o co-autor principal Mei Li, um estudante de pós-graduação da Caltech.

O ressonador óptico, que tem apenas 20 μm de comprimento e inclui recursos menores que 1 μm, foi fabricado no Instituto Kavli de Nanociência da Caltech.

“Através de técnicas tradicionais de medição de óptica quântica, descobrimos que nosso sistema atingiu um regime inexplorado, revelando uma nova física”, diz o estudante de pós-graduação Rikuto Fukumori, coautor principal do artigo.

Além do fenômeno da transparência, os pesquisadores também observam que o grupo de átomos pode absorver e emitir luz do laser muito mais rápido ou muito mais devagar do que sozinho.[{” 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.