新观察到的效应使原子对某些频率的光透明

艺术家对激光冲击光腔中的原子的可视化。资料来源：Ella Maru工作室

一种新发现的被称为 "集体诱导透明"（CIT）的现象导致原子组突然停止反射特定频率的光线。

CIT是通过将镱原子限制在一个光腔内--基本上是一个微小的光盒--然后用激光轰击它们而发现的。尽管激光的光线会从原子上反弹到一个点上，但随着光线频率的调整，一个透明的窗口出现了，在这个窗口中，光线可以不受阻碍地通过腔体。

"我们从来不知道这种透明窗的存在，"加州理工学院的安德烈-法拉昂（BS '04）说，他是威廉-L-瓦伦丁应用物理和电子工程教授，也是4月26日发表在《自然》杂志上的有关这一发现的论文的共同通讯作者。"我们的研究主要成为一个寻找原因的旅程"。

对透明窗的分析指出，它是腔体中原子组和光之间相互作用的结果。这种现象类似于破坏性干扰，即来自两个或更多来源的波可以相互抵消。原子组不断地吸收和重新发射光，这通常会导致激光的反射。然而，在CIT频率下，从一个组中的每个原子重新发射的光会产生一个平衡，导致反射率下降。

"共同主要作者、加州理工学院的研究生Mi Lei说："一个强烈耦合到同一光场的原子集合体可以导致意想不到的结果。

该光学谐振器的长度仅为20微米，包括小于1微米的特征，是在加州理工学院的Kavli纳米科学研究所制造的。

"通过传统的量子光学测量技术，我们发现我们的系统已经达到了一个未曾探索过的体系，揭示了新的物理学，"该论文的共同第一作者，研究生Rikuto Fukumori说。

除了透明现象，研究人员还观察到，与单个原子相比，原子集合可以吸收和发射激光的速度快得多或慢得多，这取决于激光的强度。这些过程被称为超辐射和亚辐射，由于有大量的相互作用的量子粒子，它们的基本物理学仍然不为人所知。

"共同通讯作者Joonhee Choi说："我们能够监测和控制纳米级的量子力学光-物质相互作用，他曾是加州理工学院的博士后学者，现在是斯坦福大学的助理教授。

虽然这项研究主要是基础性的，扩大了我们对神秘的量子效应世界的理解，但这项发现有可能在某一天帮助铺平道路，使信息存储在强耦合原子的集合体中，从而实现更高效的量子记忆。法拉昂还致力于通过操纵多个钒原子的相互作用来创造量子存储。

"物理学教授和罗森伯格学者曼努埃尔-恩德雷斯说："除了记忆，这些实验系统提供了关于开发未来量子计算机之间的连接的重要见解，他是该研究的共同作者。

参考信息：Mi Lei et al, Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05884-1

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