Как атомы играют в “квантовый пинг-понг", а "рыбий глаз" Максвелла им помогает

Исследователи из Технического университета Вены (Австрия) теоретически продемонстрировали, что с помощью специальной линзы можно добиться передачи одиночного фотона от одного атома к другому и обратно с высокой точностью. Этот процесс напоминает игру в пинг-понг, где атомы "перекидывают" фотон друг другу.

Профессор Стефан Роттер из Института теоретической физики ТУ Вены объясняет: в обычных условиях, когда атом излучает фотон в свободном пространстве, его направление случайно, и перехватить его другим атомом практически невозможно. Однако, если эксперимент проводится не в свободном пространстве, а в замкнутой среде, ситуация меняется. Это аналогично акустическому явлению "шепчущей галереи", где звуковые волны отражаются от стен эллиптической комнаты и сходятся в фокусе, позволяя людям слышать друг друга на большом расстоянии.

Используя концепцию линзы "рыбий глаз" Максвелла, команда исследователей разработала метод, позволяющий направлять фотоны от одного атома к другому. Линза имеет переменный показатель преломления, заставляя световые лучи изгибаться и достигать целевого атома. Оливер Дикманн, первый автор публикации, отмечает, что этот метод работает более эффективно, чем в простой эллиптической среде, и менее чувствителен к отклонениям атомов от идеальных позиций.

Стефан Роттер добавляет, что световое поле в линзе состоит из множества различных колебательных режимов, напоминающих звуки музыкального инструмента. Они показали, что связь между атомом и этими колебаниями может быть настроена таким образом, что фотон почти наверняка передается от одного атома к другому, что кардинально отличается от условий в свободном пространстве.

После поглощения фотона атом оказывается в возбужденном состоянии и через короткое время снова излучает его. Таким образом, начинается новый цикл: атомы меняются ролями, и фотон возвращается от принимающего атома к исходному.

Хотя эффект пока продемонстрирован только теоретически, практические испытания возможны с современными технологиями. Роттер предполагает, что эффективность можно увеличить, используя не два атома, а две группы атомов. Этот концепт может стать интересной отправной точкой для изучения взаимодействия света и материи на квантовом уровне.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters .