خلاصه خبر:
اتم‌ها می‌توانند نور را جذب و بازگسیل کنند. در طبیعت این پدیده دائما در حال رخ دادن است. با این حال، در بیشتر موارد، هنگامی که اتم می‌خواهد یک فوتون گسیل کند به صورت رندوم در جهت های مختلف گسیل می‌کند. بنابراین بدست آوردن فوتون تابیده شده دشوار است. یک تیم تحقیقاتی از TU Wien در وین (اتریش) اکنون توانسته است به صورت تئوری نشان دهد که با استفاده از یک عدسی خاص، می توان تضمین کرد که یک فوتون منفرد ساطع شده توسط یک اتم توسط اتم دوم بازجذب می شود. اتم دوم نه تنها فوتون را جذب می کند، بلکه مستقیماً آن را به اتم اول باز می گرداند. به این ترتیب، اتم‌ها فوتون را بارها و بارها با دقت نقطه‌ای به یکدیگر منتقل می‌کنند، درست مانند اینکه اتم ها با استفاده از فوتون دارند پینگ پونگ بازی می‌کنند.
توضیحات تکمیلی:
اتم‌ها می‌توانند نور را جذب و بازگسیل کنند. در طبیعت این پدیده دائما در حال رخ دادن است. با این حال، در بیشتر موارد، هنگامی که اتم می‌خواهد یک فوتون گسیل کند به صورت رندوم در جهت های مختلف گسیل می‌کند. بنابراین بدست آوردن فوتون تابیده شده دشوار است. یک تیم تحقیقاتی از TU Wien در وین (اتریش) اکنون توانسته است به صورت تئوری نشان دهد که با استفاده از یک عدسی خاص، می توان تضمین کرد که یک فوتون منفرد ساطع شده توسط یک اتم توسط اتم دوم بازجذب می شود. اتم دوم نه تنها فوتون را جذب می کند، بلکه مستقیماً آن را به اتم اول باز می گرداند. به این ترتیب، اتم‌ها فوتون را بارها و بارها با دقت نقطه‌ای به یکدیگر منتقل می‌کنند، درست مانند اینکه اتم ها با استفاده از فوتون دارند پینگ پونگ بازی می‌کنند.
پروفسور استفان روتر از مؤسسه فیزیک نظری در TU وین می گوید: «اگر اتمی یک فوتون را در جایی در فضای آزاد ساطع کند، جهت گسیل کاملا تصادفی است. این امر منجر می‌شود جذب دوباره ی این فوتون توسط یک اتم نسبتا دور غیر ممکن باشد.» فوتون به صورت موج منتشر می‌شود، به این معنی که هیچ‌کس نمی‌تواند دقیقاً بگوید که در کدام جهت حرکت می‌کند. بنابراین، این شانس محض است که آیا ذره نور توسط اتم دوم بازجذب شود یا خیر.
اما اگر این آزمایش به جای فضای آزاد در یک محیط بسته انجام شود نتیجه کاملا متفاوت است. چیزی کاملاً مشابه از به اصطلاح گالری های نجوا که در امواج صوتی شناخته شده است: اگر دو نفر خود را در یک اتاق بیضی شکل دقیقاً در نقاط کانونی بیضی قرار دهند، می توانند صدای یکدیگر را کاملا بشنوند حتی زمانی که فقط به آرامی زمزمه می کنند. امواج صوتی توسط دیوار بیضی شکل منعکس می شوند به طوری که دقیقاً در جایی که نفر دوم ایستاده است دوباره به هم می رسند. بنابراین این شخص می‌تواند زمزمه آرام را به وضوح بشنود. در اصل، می‌توان چیزی مشابه برای امواج نور هنگام قرار دادن دو اتم در نقاط کانونی یک بیضی ساخت. اما در عمل، دو اتم باید دقیقاً در این نقاط کانونی قرار بگیرند.
بنابراین این تیم تحقیقاتی استراتژی بهتری بر اساس مفهوم "عدسی چشم ماهی" که توسط جیمز ماکسول، بنیانگذار الکترودینامیک کلاسیک ساخته شده بود، ارائه کردند. عدسی شامل یک ضریب شکست فضایی متغیر است. در حالی که نور در یک محیط یکنواخت مانند هوا یا آب بر روی خطوط مستقیم حرکت می کند، پرتوهای نور در عدسی چشم ماهی ماکسول خم می‌شوند. به این ترتیب، می توان اطمینان حاصل کرد که تمام پرتوهای ساطع شده از یک اتم در یک مسیر منحنی به لبه عدسی می رسند، متعاقبا منعکس می شوند و سپس در مسیر منحنی دیگری به اتم هدف می رسند. این سیستم بسیار مؤثرتر از یک بیضی ساده عمل می کند و انحراف از موقعیت ایده آل اتم ها تاثیر مخرب کمتری دارد.
میدان نور در عدسی چشم ماهی ماکسول از حالت های نوسانی مختلف تشکیل شده است. این یادآور نواختن یک ابزار موسیقی است که در آن هارمونیک های مختلف به طور همزمان تولید می شود. ما توانستیم نشان دهیم که جفت شدن بین اتم و این حالت‌های نوسانی مختلف می‌تواند به گونه‌ای تطبیق داده شود که فوتون تقریبا به طور کامل از یک اتم به اتم دیگر منتقل شود، کاملاً متفاوت از آنچه در فضای آزاد اتفاق می‌افتد. هنگامی که اتم فوتون را جذب کرد، در حالت انرژی بالاتر قرار می‌گیرد تا زمانی که فوتون را پس از مدت بسیار کوتاهی بازتاب کند. سپس بازی دوباره شروع می‌شود: دو اتم نقش‌هایشان را عوض می‌کنند، و فوتون از اتم گیرنده به اتم فرستنده اصلی بازگردانده می‌شود.
این اثر از نظر تئوری نشان داده شده است، اما آزمایشات عملی با تکنولوژی امروز امکان پذیر است. استفان روتر می‌گوید: «در عمل، نه با استفاده از دو اتم، بلکه دو گروه از اتم‌ها، می‌توان کارایی را حتی بیشتر افزایش داد. این مفهوم می تواند نقطه شروع جالبی برای سیستم های کنترل کوانتومی برای مطالعه اثرات در برهمکنش بسیار قوی نور-ماده باشد.
منبع
Oliver Diekmann et al, Ultrafast Excitation Exchange in a Maxwell Fish-Eye Lens, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.013602
