Only Perception: 以玻璃纖維計算原子數量

2012-01-13

以玻璃纖維計算原子數量

Counting atoms with glass fiber
http://www.physorg.com/news/2011-12-atoms-glass-fiber.html

By Florian Aigner, December 7, 2011

(PhysOrg.com) -- 玻璃纖維（Glass fiber，即光纖）纜線對網際網路來說不可或缺 -- 現在它們也能被當成量子物理實驗室使用。（奧地利）維也納科技大學是世上唯一的研究單位，在這裡，單個原子能在控制之下與超細纖維玻璃中的光耦合。特別準備好的光波僅與非常少量的原子進行交互作用，這使我們有可能打造出對微量物質超級敏感的偵測器。

Arno Rauschenbeutel 教授的團隊，Vienna 量子科學與技術中心的六個研究小組之一，已在 Physical Review Letters 期刊中發表這種新方法。這項研究計畫在與德國 Mainz， Johannes Gutenberg 大學的合作下完成。

超細玻璃纖維

實驗中所用的玻璃纖維只有 500 nm 寬。事實上，它們甚至比可見光的波長還要更細。"在實際狀況下，光波並沒有真的塞入這種玻璃纖維中，它會突出來一點，" Arno Rauschenbeutel 解釋。而這正是這種新方法的最大優勢：光波會與位於玻璃纖維外部的原子接觸（原子離玻璃纖維非常近，但並未接觸）。 "首先，我們陷住（trap）原子，故它們被排列在玻璃纖維的上方或下方，如同細線上的珍珠般，" Rauschenbeutel 表示。透過玻璃纖維傳送的光波接著被它所通過的每一個原子修改。藉由非常精確地測量光波中的變化，就能測定被陷在纖維附近的原子數量。

原子改變光的速度

當科學家研究原子與光的交互作用時，他們通常會看見有點混亂的效應 -- 至少是在微觀尺度下：例如，原子能吸收光子，之後朝不同方向將它們發射出去。因是之故，原子可能被加速，並從它們原本的位置被拋開。然而，在 Vienna UT 的玻璃纖維實驗中，光與原子間非常溫和的交互作用業已足夠："靠近玻璃纖維的原子使光速稍稍減了一點點，" Arno Rauschenbeute 解釋。當光波非常精確地在原子的方向上，向上與向下振盪時，光波會稍微偏移了一點。另一道在不同方向上振盪的光束並沒有撞擊到任何原子，因此也很難全面減速。不同偏振方向的光波，透過玻璃纖維來傳送 -- 由於其速度不一，故能測得它們的相對偏移。這偏移告訴科學家有多少個原子使光波延遲了。

偵測單個原子

成千上百的原子會被陷住，離玻璃纖維不到千分之一公釐。它們能被測定的數量，可達數個原子的準確度。"原則上，我們的方法如此精確，故它能偵測到十個或二十個這麼少的原子，" Arno Rauschenbeutel 表示。"我們正研究幾種技術性技巧 -- 例如減少原子與玻璃纖維間的距離。如果我們能辦到這件事，我們甚至能夠進行單個原子的偵測。"

非破壞性量子測量

這種新的玻璃纖維測量法不僅對新偵測器很重要，對基礎量子物理的研究也一樣重要。"通常，當我們測量某種系統時，其量子物理態就會被破壞，" Rauschenbeutel 解釋。"我們的玻璃纖維使得「控制量子態而不會摧毀它們」成為可能。" 這些靠近玻璃纖維的原子也能用來調整光波在其內振盪的平板。說不定，新的技術可能性也許因此被開發。"今日，量子光學是一種令人難以置信的創新研究領域，而 Vienna 研究小組在這方面可說是世上數一數二，" Arno Rauschenbeutel 表示。

※ 相關報導：

＊論文初稿詳見：http://arxiv.org/abs/1108.2469v2

＊ Dispersive Optical Interface Based on Nanofiber-Trapped Atoms
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i24/e243601

S. T. Dawkins, R. Mitsch, D. Reitz, E. Vetsch, and
A. Rauschenbeutel.
Phys. Rev. Lett. 107, 243601 (2011) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.107.243601