Луч красного света проходит в оптоволокне диаметром 400 нанометров. Захваченные около оптоволокна атомы цезия направляют 75% света внутри волокна обратно к источнику. Размер красного сегмента — около 1-2 см. Фото: Университет Пьера и Марии Кюри

Зеркало — простейшее устройство для манипулирования светом. Обычно оно представляет собой большую плоскую поверхность. За историю человечества люди испробовали несколько технологий изготовления зеркал. Древние жители Анатолии, Месопотамии и Египта полировали обсидиан и медь в 6000-4000 г до н.э. Производство стеклянных зеркал в Европе освоили в XIII веке в Голландии, а в XV веке венецианские купцы выкупили патент и получили монопольное право на производство дорогих качественных зеркал.

До настоящего времени никто не ставил задачу создать зеркало минимального размера. В этом не было необходимости до 21 века, пока физики не задумались о практическом применении квантовой электродинамики.


Экспериментальная установка. Фото: Университет Пьера и Марии Кюри

Группе исследователей из лаборатории Laboratoire Kastler Brossel-LKB в Университете Пьера и Марии Кюри (Париж, Франция) удалось создать эффективное зеркало всего из 2000 атомов. О своей работе они рассказали в научной статье 23 сентября 2016 года в журнале Physical Review Letters (doi: 10.1103/PhysRevLett.117.133603).

Если описать открытие вкратце, то учёные тщательно позиционировали холодные атомы в оптоволокне, чтобы достичь необходимых условий для возникновения отражения Вульфа-Брэгга (в западных странах известно как отражение Брэгга).

В 1913 году австралийский физик Уильям Лоренс Брэгг и российский физик Георгий Вульф из Черниговской области независимо друг от друга вывели формулу для направления максимумов дифракции на кристалле упруго рассеянного рентгеновского излучения. Уильям Брэгг со своим отцом Уильямом Генри Брэггом получили за это открытие Нобелевскую премию по физике в 1915 году.

В экспериментальной установке французских учёных каждый из тщательно расставленных холодных атомов вносит свой небольшой вклад в преломление света. За счёт конструктивной интерференции и многочисленных отражений вся конструкция из 2000 атомов совместно способна направить обратно к источнику примерно 75% падающих фотонов.

Это существенный шаг вперёд в разработке нанозеркал, ведь предыдущие попытки создать миниатюрное зеркало требовали наличия миллионов атомов.

Исходя из условий отражения Вульфа-Брэгга прекрасно понятно, как должны располагаться атомы, чтобы создать конструктивную интерференцию друг с другом. Вопрос был в том, каким образом разместить их в точности на этих позициях. Здесь исследователи применили последние достижения в части управления атомами с помощью одномерных бозонных волноводов (волновод — направляющий канал, в котором распространяется волна). Об этих достижениях можно подробнее узнать, изучив научные работы, опубликованные в 2007-2015 гг: 1, 2, 3. Кроме того, они использовали последние экспериментальные исследования в разработке одномерных диэлектрических волноводов для управления холодными атомами, пойманными в ловушку.

Таким образом, оставалось сделать последний шаг: совместить конструкцию одномерных волноводов с управляемой решёткой атомов. В этом случае решётка атомов способна проявить необычный феномен совместного воздействия на фотоны. При желании можно сделать зеркало на основе отражения Вульфа-Брэгга, что и осуществили французы.


Экспериментальная установка: ряд атомов цезия (красные кружки) захвачен в ловушки в окрестностях оптоволокна. Ловушки организованы парой встречных красных лучей, близкой к резонансу (стоячие волны), а также дополнительной парой синих лучей, которые выполняют вспомогательное отталкивание. Иллюстрация: Университет Пьера и Марии Кюри

При проходе света вдоль оптоволокна толщиной 400 нм значительная часть света выходит за пределы оптовоколокна и идёт рядом с ним. С помощью этого света физики соорудили дипольную ловушку для холодных атомов цезия. Тщательно подобрав пары лучей, они сгенерировали две цепи потенциалов захвата вокруг оптоволокна таким образом, что для каждого атома было предназначено только одно конкретное место. Управляя цветом лучей (то есть длиной волны), физики смогли подобрать такое расстояние между атомами, чтобы оно оказалось как можно ближе к половине резонансной длины волны атомов цезия. Таким образом, решётка из 2000 атомов рядом с оптоволокном эффективно отражает свет внутри оптоволокна.


На иллюстрации: (a) отражение Вульфа-Брэгга от атомов, захваченными с помощью одномерного волновода рядом с оптоволокном; (b) распределение плотности электрического поля в поперечном сечении оптоволокна с квазилинейной поляризацией (направлене показано стрелкой); ©, (d) теоретический спектр отражения. Иллюстрация: Университет Пьера и Марии Кюри

Это очень важный шаг в новой и перспективной области исследований — использовании волноводов в квантовой электродинамике. Можно легко представить, как именно это открытие будет применяться в многочисленных практических областях, в том числе в оптической памяти для компьютеров, квантовых сетях, квантовой нелинейной оптике и квантовых симуляторах.

Кто знает, вдруг атомные зеркала на волноводах станут чуть ли не предметом повседневного быта.