فیزیک‌دانان در آلمان قطعه‌ی اپتیکیِ جدیدی را ساخته‌اند که قادر است دقیقاً یک فوتون را جذب کند. به گفته‌ی آن‌ها این قطعه از ویژگی‌های فیزیکی اتم‌های غول‌پیکر در ابعاد میکرونی معروف به اتم‌های ریدبرگ بهره می‌برد و می‌توان از آن در شبکه‌های محاسبات کوانتومی آینده بهره برد.

آن‌طور که سباستین هافربرث (Sebastian Hofferberth ) از دانشگاه اشتوتگارت توضیح می‌دهد، این قطعه ابتدا همانند عدسیِ عینک آفتابی عمل می‌کند اما به محض آن‌که اولین فوتونش را جذب می‌کند نسبت به نور شفاف می‌شود. به بیان هافربرث، یک کاربرد مهم این قطعه می‌تواند جذب تک‌فوتون‌ها از یک شبکه‌ی کوانتومی باشد. پتانسیل کاربردی دیگر، شمارنده‌ی فوتونیِ دقیق است که می‌توان با قرار دادن تعدادی از این قطعات در حالت متوالی آن را ساخت.

ابرِ اتمی

در قلب این قطعه ابری از اتم‌های روبیدیوم در ابعاد میکرونی قرار دارد که تا دمای نزدیک صفر مطلق سرد شده‌اند. برای آن‌که این ابر اتمی تنها یک فوتون را جذب کند ابتدا یک نور لیزری، با انرژی دقیقاً برابر با انرژی تحریک خارجی‌ترین الکترون آن اتم‌ها به ۱۲۱ امین تراز انرژی، تابانده می‌شود. در آن حالت الکترون حدود هزاران مرتبه، نسبت به حالت پایه‌ی اتم، دورتر از هسته است. شعاع چنان اتم‌هایی بیشتر از میکرون است و به اتم‌های ریدبرگ معروفند.

وقتی یک اتم روبیدیوم در چنان ابری، یک تک‌فوتون را جذب می‌کند، اولین اتم ریدبرگ ایجاد می‌شود و اتم دیگری نمی‌تواند فوتون دیگری را از پرتوی لیزری جذب کند. این به آن دلیل است که خارجی‌ترین الکترون اولین اتم ریدبرگ از هسته‌اش دور است و این ابر اتمی با تمام اتم‌های دیگر همپوشانی داشته و ساختار الکترونی آن‌ها را تغییر می‌دهد. به گفته‌ی هافربرث: «حضور اولین اتم ریدبرگ چنان تاثیر قدرتمندی دارد که شرایط تشدید را برای تمام اتم‌های دیگر تغییر می‌دهد». وی می افزاید: «اتم‌های ریدبرگ با همسایگان‌شان، که در حدود ۱۰ میکرونی آن‌ها قرار دارند، می‌توانند برهم‌کنش کنند. چون دیگر اتم‌ها قادر نیستند فوتون‌ها را جذب کنند، بنابراین ابر شفاف می‌شود.

پژوهش‌گران برای اثبات اینکه تنها یک فوتون جذب شده است از این واقعیت بهره برده‌اند که الکترون بیرونی به شکل ضعیفی به هسته‌ی اتم ریدبرگ مقید است. به گفته‌ی هافربرث: «آن‌ها بسیار آسیب‌پذیرند». بنابراین برای اثبات آن‌که این ابر تنها یک فوتون جذب کرده‌ است، او و همکارانش اتم ریدبرگ را به یون روبیدیوم تبدیل کرده‌اند. آنان این کار را با لگدزدن به خارجی‌ترین الکترون به انجام رسانده‌اند. سپس تعداد یون‌های روبیدیوم حاضر را شمرده و تنها یکی را اندازه گرفته‌اند.

فرآیند ظریف

به گفته‌ی هافربرث، ایجاد این جاذب فوتون به لحاظ تجربی کاری دشوار است. هرچند سردسازی و بدام اندازی لیزری اتم‌های روبیدیوم یک فناوری استاندارد است، اما ایجاد یک ابر اتمی و تک‌اتم ریدبرگ هنوز فرآیندی بسیار ظریف به حساب می‌آید.

الکسی گوشکف (Alexey Gorshkov)، فیزیک‌پیشه‌ای از دانشگاه مریلند که با هافربرث قبلاً همکاری داشته ولی در این پژوهش اخیر درگیر نبوده است، می‌گوید مفهومی که پشت این جاذب تک-فوتونی نهفته است اولین بار در سال ۲۰۱۱  پیشنهاد شده است. به بیان گوشکف: «این بچه‌ها را آن را به اجرا درآورده‌اند که خیلی باحال است». با این حال وی خاطر نشان می‌کند که وقتی این قطعه یک تک‌فوتون را جذب می‌کند، سیگنال فوتون‌های متوالی گذرنده از آن را نیز مغتشش می‌کند که ممکن است استفاده آن را در کاربردهای اطلاعات کوانتومی پیچیده سازد.

هافربرث توضیح می‌دهد که هدف تیم او ایجاد آرایه‌ای از ابزارهای عمومی است تا با دقت فوتون‌ها را به شکل انفرادی اضافه، کسر و کنترل کند. وی می‌گوید: «اکنون ما نسخه‌ی بسیار اولیه‌ای از چنان ابزاری را برای دست‌کاری نور ساخته‌ایم». یک جاذب تک‌الکترونی مشابه بر اساس سازوکار فیزیکی مختلف در سال ۲۰۱۵ توسط باراک دایان (Barak Dayan) و همکارانش در موسسه‌ی علوم وایزمن رونمایی شده است و خیلی زود است که بتوان گفت کدام‌یک ابزار موثرتری خواهد بود. بر اساس آنچه هافربرث بیان می‌دارد، گام بعدی ایجاد قطعه‌ای است که عمل معکوس را انجام دهد یعنی گردآوری اتم‌هایی که بتوانند دقیقاً یک فوتون تولید کنند.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

سوفیا چن نویسنده‌ی آزاد در توسان آریزونا است.

منبع:

New optical device absorbs just one photon