Физики из Венского центра квантовой науки и технологии создали устройство, представляющее собой оптический диод для одиночных фотонов. Для этого ученые использовали охлажденные до низких температур атомы цезия и рубидия, поглощающие фотоны с определенным относительным спином. Результаты работы опубликованы в Physical Review X.

Основанные на свете схемы передачи данных потенциально быстрее и экономичнее электрических. Для реализации подобных схем требуются оптические аналоги электронных диодов и транзисторов. На данный момент существует уже несколько концепций оптических диодов, однако они не способны работать с сигналами низкой интенсивности, соответствующими потокам из нескольких фотонов, обработка которых необходимы для работы оптических схем.

Ранее команда из Венского технического университета проводила похожий эксперимент: ученые направляли лазер на рассеивающий объект (металлическую наночастицу или небольшое облако атомов), расположенный напротив середины узкого оптоволокна. Рассеянный свет попадал в волокно и затем распространялся в одну из сторон в зависимости от поляризации изначального излучения.

Эффект основан на явлении, возникающем при распространении света по нановолокну, толщина которого меньше чем длина волны света. При таком движении спин фотонов перпендикулярен направлению распространения света, т.е. вектор электрического поля вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению движения фотонов. Изменение направления движения приводит к изменению спина; электрическое поле распространяется за пределы оптоволокна и способно взаимодействовать с рассеивающим объектом, расположенным близко к волокну.

В данном случае исследователи модифицировали предыдущий эксперимент, в итоге реализовав оптический диод: в новом эксперименте линейно поляризованные фотоны движутся по оптоволокну вплоть до сужения шириной 500 нанометров. Команда поместила охлажденные до 30 милликельвин атомы цезия на расстоянии около 230 нанометров от волокна. С помощью лазерного импульса ученые выстроили спины атомов однонаправленно, а частота фотонов соответствовала частоте электронного перехода в атоме.

Из-за совпадения частот атомы цезия, взаимодействуя с электрическим полем вне волокна, способны поглощать движущиеся по нему фотоны. Однако поглощение происходит только для конкретной относительной ориентации спинов фотона и атома. Таким образом, фотоны, движущиеся в одном направлении, поглощаются атомами, в то время как фотоны, движущиеся в другом, свободно проходят через область поглощения.

В случае, когда в качестве поглощающих атомов ученые использовали атомы цезия для поглощения однофотонного потока достаточно ловушки, состоящей из приблизительно 27 атомов. Также ученые показали возможность реализации аналогичной концепции с помощью микрорезонатора в форме петли на одиночном атоме рубидия (форма обеспечивает многократность взаимодействия с атомом).

Автор: Евгений Анохин