Фізики розробили оптичне дзеркало з квантовим вимикачем. Дослідження опубліковано в журналі Nature Physics.
Фізики з Інституту квантової оптики Товариства Макса Планка створили метаматеріал, який перемикається. Оптичні властивості масиву атомів можна змінювати за допомогою одного рідбергівського атома. Залежно від його енергетичного стану матеріал або відбиває світло, або стає прозорим.
Дослідники зібрали атоми рубідію в фіксований двовимірний регулярний візерунок так, щоб окремі елементи перебували на відстанях менше довжини хвилі фотона. Через близьке розташування атомів такий масив діє «кооперативно», пояснюють вчені. В результаті збільшення зв’язку світла з речовиною навіть одиночний фотон, що пройшов повз одного атома, ефективно відбивається. Ця структура є найлегше дзеркало у світі, що складається всього з одного шару атомів.
Оптичне дзеркало має багато спільного зі своїм класичним аналогом. Зокрема, ймовірність відбиття фіксоване і не може контролюватися. Щоб керувати властивостями дзеркала, фізики розробили і помістили в центр масиву перемикач, що складається з одного рідбергівського атома.
Це воднеподібні атоми або атоми лужних металів, у яких зовнішній електрон знаходиться в високозбудженому стані. При опроміненні такого атома лазерним світлом він переходить з основного в збуджений стан і назад. Залежно від енергетичного стану оптичне дзеркало або відбивало світло або ставало прозорим як вікно.
Оптична метаповерхність в вимкненому (зліва) і включеному (зправа) стані. У першому випадку масив прозорий, а в другому — відбиває світло. Зображення: Kritsana Srakaew et al., Nature Physics
Дослідники відзначають, що квантовий перемикач приймає не тільки два крайніх значення «0» і «1», але частіше виявляється в проміжному стані. В результаті на відміну від класичного дзеркала метаповерхність можна налаштувати так, що вона одночасно і відбиває, і пропускає фотони світла.
Розробку можна використовувати для заплутування атомного світла, додають автори роботи. Постановка квантового перемикача в когерентному суперпозиції між основним і збудженим станом створює заплутаність атома і світла, унікальний і дивний зв’язок між вхідним фотоном і атомним перемикачем.