Физики разработали оптическое зеркало с квантовым выключателем. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics. Физики из Института квантовой оптики Общества Макса Планка создали переключаемый метаматериал. Оптические свойства массива атомов можно изменять при помощи одного ридберговского атома. В зависимости от его энергетического состояния материал либо отражает свет, либо становится прозрачным.

Исследователи собрали атомы рубидия в фиксированный двумерный регулярный узор так, чтобы отдельные элементы находились на расстояниях меньше длины волны фотона. Из-за близкого расположения атомов такой массив действуют «кооперативно», объясняют ученые. В результате увеличения связи света с веществом даже одиночный фотон, прошедший мимо одного атома, эффективно отражается. Эта структура представляет собой самое легкое зеркало в мире, состоящее всего из одного слоя атомов.

Оптическое зеркало имеет много общего со своим классическим аналогом. В частности, вероятность отражения фиксирована и не может контролироваться. Чтобы управлять свойствами зеркала, физики разработали и поместили в центр массива переключатель, состоящий из одного ридберговского атома.

Это водородоподобные атомы или атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбужденном состоянии. При облучении такого атома лазерным светом он переходит из основного в возбужденное состояние и обратно. В зависимости от энергетического состояния оптическое зеркало становилось отражающим или прозрачным как окно.

Оптическая метаповерхность в выключенном (слева) и включенном (справа) состоянии. В первом случае массив прозрачен, а во втором — отражает свет. Изображение: Kritsana Srakaew et al., Nature Physics

Исследователи отмечают, что квантовый переключатель принимает не только два крайних значения «0» и «1», но чаще оказывается в промежуточном состоянии. В результате в отличие от классического зеркала метаповерхность можно настроить так, что она одновременно и отражает, и пропускает фотоны света.

Разработку можно использовать для запутывания атомного света, добавляют авторы работы. Постановка квантового переключателя в когерентной суперпозиции между основным и возбужденным состоянием создает запутанность атома и света, уникальную и странную связь между входящим фотоном и атомным переключателем.