Наноразмерное оптическое устройство, позволяющее свету распространяться только в одном направлении

Венский технологический институт (Vienna University of Technology — TU Vienna)

В Венском технологическом институте разработано наноразмерное оптическое устройство, которое позволяет свету распространяться только в одном направлении. Оно представляет собой сверхтонкое стеклянное волокно, в которое введены атомы щелочи.

Световой луч обычно может быть отправлен назад — в точку, из которой он вышел, просто отразив его с помощью зеркала. Исследователи из Венского технологического университета разработали новое оптическое устройство, которое позволяет нарушать это правило. Подобно электрическому диоду, проводящему ток только в одном направлении, это устройство, использующее стеклянное волокно, пропускает свет только в одном направлении. В нем правило «одностороннего движения» выполняется даже в том случае, когда проходящий по оптическому волокну оптический импульс состоит лишь из нескольких фотонов. Такая «улица с односторонним движением» для света может быть использована в обработке оптических сигналов.

Элементы, позволяющие свету распространяться лишь в одном направлении, называются «оптичские изоляторы». Действие большинства оптических изоляторов основано на эффекте Фарадея. При этом сильное магнитное поле прикладывается к прозрачному материалу, расположенному между двумя скрещенными поляризационными фильтрами. Направление магнитного поля определяет направление, в котором свет может распространяться.

По техническим причинам оптические устройства на основе эффекта Фарадея не могут быть реализованы в нанометровых размерах, что является существенным недостатком. «В настоящее время исследователи ищут пути создания оптических интегральных схем, подобных функциональным электронным аналогам», — говорит Арон Раушенбейтель (Aron Rauschenbeutel) из венского Центра квантовой науки и технологии, входящего в Атомный институт Венского технологического университета. Другие методы, позволяющие исключить симметрию в возможности света распространяться в противоположных направлениях по одному пути, работают только при очень высоких интенсивностях. Но в нанотехнологии высшей целью является функционирование при предельно слабых световых сигналах, которые могут состоять даже из отдельных фотонов.

Группа Арона Раушенбейтеля выбрала совершенно иной подход к решению задачи: атомы щелочи были внедрены в ультратонкое стеклянное волокно — в световое поле. В обычном стеклянном волокне свет может распространяться в двух противоположных направлениях. При этом существует еще одно свойство света, которое необходимо принимать во внимание, — направление поляризации.
Взаимодействие света и стеклянного волокна изменяет состояние колебания света. Арон Раушенбейтель, говорит, что «поляризация вращается подобно винту вертолета». Направление вращения зависит от того, в каком направлении движется световая волна — в прямом или обратном. В одном случае направление колебаний света происходит по часовой стрелке, в другом — против нее. Направление распространения света и состояние колебания световой волны тесно связаны между собой.

Если атомы щелочи подготовлены в соответствующем квантовом состоянии и введены в сверхтонкое стеклянное волокно на пути распространения света, то можно заставить их по-разному реагировать на два направления вращения света. Атомы не влияют на свет, движущийся в прямом направлении. Однако свет, движущийся в обратном направлении, то есть отраженный свет, вращается в другую сторону и взаимодействует с атомами щелочи, что приводит к его рассеянию и выводу его из стеклянного волокна.

Этот эффект был продемонстрирован в Венском ТУ двумя различными способами. В первом — около 30 атомов были рапределены внутри стеклянного волокна. После ввода в волокно света была измерена эффективность передачи — около 80% в прямом направлении и примерно в 10 раз меньше в другом. При втором способе использовался лишь один атом рубидия. В этом случае свет временно сохранялся в оптическом микрорезонаторе и, следовательно, мог взаимодействовать с атомом в течение более продолжительного времени. Аналогичное управление передачей света так же было реализовано.

«Когда мы используем лишь одиночный атом, то можем гораздо более тонко управлять процессом, — говорит Раушенбейтель. — Можно приготовить атом с квантовой суперпозицией двух возможных состояний, что блокирует свет и позволяет ему в то же самое время распространяться». В соответствии с законами классической физики это должно быть невозможным, но квантовая физика допускает существование таких комбинаций. Это открывает дверь новым, захватывающим воображение методам оптической обработки квантовой информации.