الليزر "يلعب" خنثى

بحث سلوك الليزر أحادي الذرة

يحاط أيون واحد محاصر (كرة زرقاء) بواسطة مرنان بصري ويتحمس بواسطة الليزر الخارجي ، الذي ينبعث منه ضوء الليزر في الرنان. يترك الضوء المرنان خلال أحد المرآتين ويتم توجيهه عبر الألياف الضوئية إلى الكاشفات. © شميدت
قراءة بصوت عال

نجح فريق بحث في إنسبروك في تحقيق ليزر باستخدام ذرة واحدة ، مما يدل على كل من خصائص الليزر الكلاسيكي والطبيعة الميكانيكية الكمومية لتفاعل الذرة-الفوتون. يقدم العلماء تطورهم الجديد لأول مرة في العدد الحالي من مجلة Nature Physics.

قبل 50 سنة تم تطوير أول ليزر. اليوم ، من المستحيل تخيل أشعة الضوء الموجهة بشكل مصطنع من حياتنا اليومية. تعد أجهزة الليزر مكونًا رئيسيًا في مجموعة واسعة من الأجهزة التي لها تطبيقات في الاتصالات السلكية واللاسلكية والطب والمنزلية والبحث. يتكون الليزر عادة من وسيط ربح يتم ضخه كهربائيًا أو بصريًا وتحيط به مرنان مرآة. ينعكس الضوء في مرنان جيئة وذهابا في شكل ما يسمى وسائط الاهتزاز ، وبالتالي زيادة في كثافة وتضخيمها من قبل الوسيط.

تعزيز سلوك العتبة

واحدة من أكثر السمات البارزة للليزر الكلاسيكي هي الزيادة المفاجئة في طاقة الخرج عندما يتعلق الأمر بما يسمى قوة ضخ العتبة ، حيث يتم تعويض الخسائر في دورة الضوء في مرنان فقط عن طريق الكسب في الوسط. سبب هذا السلوك هو التأثير الذاتي لتعزيز تفاعل الضوء مع الذرات: كلما زاد عدد الفوتونات الموجودة بالفعل في وضع الاهتزاز ، زاد تضخيم الضوء في هذا الوضع. يحدث هذا التأثير عادة في أشعة الليزر العيانية ذات الذرات الكثيرة والعديد من الفوتونات.

نجح الباحثون حول راينر بلات وبيت شميدت من جامعة إنسبروك الآن في إثبات بداية هذا السلوك العتبة المضخم مع أصغر كتلة بناء ممكنة من الليزر: ذرة واحدة تتفاعل مع وضع واحد في مرنان بصري. لهذا الغرض ، حوصر أيون الكالسيوم في فخ أيون وأثاره الليزر الخارجي. يشكّل مرآيان يحيطان بالأيون مرنانًا ضوئيًا عالي الجودة يلتقط ويخزن الفوتونات المنبعثة من الأيون بطريقة. يتم تحفيز أيون دوريًا بواسطة الليزر الخارجي ويضيف فوتونًا إلى وضع الرنان في كل دورة ، مما يؤدي إلى تضخيم الضوء.

عرض في فخ أيون: يلتقط الباحثون أيون الكالسيوم في فخ أيون وينشطونه بمساعدة الليزر الخارجي. اثنين من المرايا المحيطة أيون تشكل مرنان البصرية. ack لاكنر

واحد ذرة مكبر للصوت ضعيف

مع الاقتران القوي للأيون بنمط الرنان ، يتصرف نظام الذرة والرنان من الناحية الميكانيكية ، ولا يمكن إدخال سوى فوتون واحد في الرنان. "لا يمكن أن يكون هناك تأكيد للذات ولا يوجد سلوك عتبة" ، أوضح فرانسوا دوبين ، المؤلف الأول للمنشور. تم عرض "ليزر الكم" هذا بالفعل منذ بضع سنوات في نظام مماثل. عرض

إن أهم ما يميز تجربة إنسبروك هو الربط القابل للتعديل للذرة مع وضع الرنان. عن طريق اختيار معلمات ليزر الإثارة ، تمكن الفيزيائيون في جامعة إنسبروك من تحقيق إثارة أقوى وبالتالي إدخال المزيد من الفوتونات في الرنان. على الرغم من وجود أقل من فوتون واحد في المتوسط ​​في المرنان ، إلا أنه يمكن ملاحظة آثار التعزيز الذاتي في شكل سلوك تورم. ذرة واحدة هي مكبر للصوت ضعيف جدا. لذلك ، فإن سلوك العتبة ليس واضحًا كما هو الحال في الليزر الكلاسيكي ، يشرح شميدت النتائج.

هناك حاجة إلى مزيد من البحث

الإثارة الأقوى ، على عكس الليزر الكلاسيكي ، لا تؤدي إلى طاقة خرج أعلى ، ولكن بسبب التداخلات الميكانيكية الكمية لإخماد الليزر. هذا يمثل قيدًا أساسيًا على أشعة الليزر المصغرة التي تتكون من بضع ذرات ، لذلك يريد الباحثون في إنسبروك الآن الانتقال من الليزر الكمومي إلى الليزر الكلاسيكي عن طريق إضافة ذرات أخرى مسيطر عليها في الخطوة التالية دراسة عن كثب.

(جامعة إنسبروك ، 29.03.2010 - DLO)