De niet-lineaire interactie tussen intens licht en materie maakt het mogelijk om de ene laserstraal te gebruiken om de voortplanting van een andere te beïnvloeden.Het is moeilijker om andere fotonen met individuele fotonen te besturen, omdat de intensiteit van dit licht zo laag is dat het normaal gesproken alleen lineair interageert met materie.Dit probleem kan worden opgelost met resonatoren met een hoge Q-holte, waarin enkele fotonen herhaaldelijk interageren met hetzelfde atoom, waardoor niet-lineaire effecten optreden.Zonder een holte te gebruiken, konden Amerikaanse onderzoekers nu een enkel foton gebruiken om de voortplanting van andere fotonen te voorkomen.Afb.: De interactie van elektromagnetisch geïnduceerde transparantie en Rydberg-blokkade in een atomair gas filtert individuele fotonen (rechts; afbeelding: NPG) uit een lichtstraal (links)In hun baanbrekende experiment combineerde het team onder leiding van Mikhail Lukin van Harvard en Vladan Vuleti van MIT op een slimme manier twee bekende effecten van niet-lineaire optica: elektromagnetisch geïnduceerde transparantie (EIT) en de Rydberg-blokkade.In EIT wordt een materiaal dat aanvankelijk ondoorzichtig is voor een teststraal van een bepaalde lichtfrequentie coherent geëxciteerd door een controlestraal van een andere frequentie, waarna het de teststraal niet langer absorbeert en ongehinderd doorlaat.De Rydberg-blokkade is gebaseerd op de ongebruikelijke eigenschappen van Rydberg-atomen, waarvan het valentie-elektron zich in een toestand bevindt met een hoog hoofdkwantumgetal n.Deze atomen hebben een zeer grote diameter en een overeenkomstig groot elektrisch dipoolmoment.Bovendien liggen hun energieniveaus dicht bij elkaar.Beide veroorzaken samen een sterke dipool-dipool interactie tussen twee Rydberg-atomen, zelfs over meerdere micrometers.Als een atoom door bestraling met licht van een bepaalde frequentie in een Rydberg-toestand wordt gebracht, kan er binnen een blokkeerstraal van enkele micrometers geen atoom meer in deze toestand worden geëxciteerd, omdat de interactie tussen de atomen het Rydberg-niveau ontstemt.Lukin en zijn collega's riepen het EIT op in een koude en dichte gaspluim van ongeveer 10.000 rubidium-atomen gevangen in een optische dipool.De atomen bevonden zich aanvankelijk in de 5S1/2-toestand, die de rol van de grondtoestand speelde.Ze konden met een teststraal in de 5S3/2-toestand worden geëxciteerd, zodat de ongeveer 36 µm lange atomaire wolk aanvankelijk ondoorzichtig was voor deze straal.Vervolgens bracht een controlestraal de aangeslagen atomen in een Rydberg-toestand n S1/2, waar n kon worden gevarieerd tussen 46 en 100.Toen een enkel foton van de teststraal door de atoomwolk werd gestuurd, verhinderde de controlestraal dat het onmiddellijk door de atomen werd geabsorbeerd.EIT vond plaats met een transmissiekans van ongeveer 60%.Het doorgelaten foton vormde een gekoppelde toestand met een Rydberg-atoom gegenereerd door de controlestraal, een zogenaamd Rydberg-polariton.Deze excitatie ging met een sterk verminderde snelheid door de atoomwolk.Toen de Rydberg-polariton aan het einde van de wolk arriveerde, was het teststraalfoton weer vrij en kon zijn weg vervolgen.Het werd uiteindelijk geregistreerd door fotodetectoren.Als het eerste teststraalfoton op voldoende kleine afstand door anderen werd gevolgd, sloeg de Rydberg-blokkade toe.Afhankelijk van de grootte van het belangrijkste kwantumgetal n, verhinderde het Rydberg-polariton dat uit het eerste foton werd gecreëerd, dat verdere Rydberg-polaritonen zich konden vormen in een straal van 3 µm tot 13 µm.Daarop stortte het EIT in voor de volgende fotonen.Er was een grote kans dat ze werden geabsorbeerd door de atomaire wolk, op voorwaarde dat de blokkeringsstraal R groter was dan de absorptielengte van de wolk.Het eerste foton bleef onaangetast.Door de sigaarvormige atoomwolk slechts ongeveer 10 µm dik te maken, konden de onderzoekers een overeenkomstig grote blokkeerradius gebruiken om ervoor te zorgen dat verschillende Rydberg-polaritonen niet naast elkaar door de wolk vlogen.De polaritons konden daarom slechts één voor één door de atomaire wolk gaan met een minimale afstand van de grootte van de blokkadestraal.Individuele fotonen werden dus uit de testbundel gefilterd, die als parels aan een touwtje waren gerangschikt en "anti-bundeling" vertoonden, d.w.z. niet in clusters konden voorkomen.Alle resterende sondestraalfotonen werden geabsorbeerd door de atomaire wolk.Uit de evaluatie van de detectorsignalen bleek dat er inderdaad sprake was van "anti-bundeling".Elke multi-fotontoestand waarvan de lichtquanta binnen een bepaalde “blokkadetijd” T = R / v (met de blokkadestraal R en de polaritonsnelheid v) de atoomwolk was binnengedrongen, werd omgezet in een één-fotontoestand.Dit vooronderstelde echter dat R/v niet te klein was.Voor R/v < 1/B, waarbij B de breedte is van het frequentievenster waarin EIT optrad, was de blokkeringstijd T ongeveer gelijk aan 1/B.Lukin en zijn collega's zijn ervan overtuigd dat hun enkelvoudige fotonbron aanzienlijk kan worden verbeterd door de EIT-transmissie te verhogen van 60% naar 100%, door gebruik te maken van Rydberg-toestanden met nog grotere hoofdkwantumgetallen en door gebruik te maken van dichtere en koudere atoomwolken.Bovendien opent de sterke niet-lineaire interactie tussen individuele fotonen die nu is bereikt fascinerende mogelijkheden.Op deze manier is het naast enkelfotonschakelaars ook mogelijk om fotodetectoren te maken die zeer efficiënt zijn of fotonen niet-destructief kunnen meten.Daarnaast zou men ook experimenteel sterk interagerende fotonische veeldeeltjessystemen kunnen realiseren en hun exotische eigenschappen kunnen bestuderen.Vacuüm in onderzoek en praktijkElke week goed op de hoogte - schrijf u hier in voor de nieuwsbrief!Vacuüm in onderzoek en praktijkElke week goed op de hoogte - schrijf u hier in voor de nieuwsbrief!