La lumière offre un moyen irremplaçable d’interagir avec notre univers. Il peut parcourir des distances galactiques et entrer en collision avec notre atmosphère, créant une pluie de particules qui racontent l’histoire d’événements astronomiques passés. Ici sur terre, le contrôle de la lumière nous permet d’envoyer des données d’un côté de la planète à l’autre.



Compte tenu de sa vaste utilité, il n’est pas surprenant que la lumière joue un rôle essentiel dans les programs d’information quantique du 21e siècle. Par exemple, les scientifiques utilisent la lumière laser pour contrôler avec précision les atomes, les transformant en mesures ultra-sensibles du temps, de l’accélération et même de la gravité. Actuellement, cette technologie quantique précoce est limitée par la taille – les systèmes de pointe ne tiendraient pas sur une table de salle à manger, encore moins une puce. Pour une utilisation pratique, les scientifiques et les ingénieurs doivent miniaturiser les dispositifs quantiques, ce qui nécessite de repenser certains composants pour exploiter la lumière.

Aujourd’hui, Gaurav Bahl, membre d’IQUIST. La nouvelle étude. démontre un moyen puissant d’isoler ou de contrôler la directionnalité de la lumière. Les mesures de l’équipe montrent que leur approche de l’isolement surpasse actuellement toutes les alternate options sur puce précédentes et est optimisée pour la compatibilité avec les capteurs à base d’atomes.



« Les atomes sont les références parfaites n’importe où dans la mother nature et fournissent une foundation pour de nombreuses programs quantiques », a déclaré Bahl, professeur de sciences et d’ingénierie mécaniques (MechSe) à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. « Les lasers que nous utilisons pour contrôler les atomes ont besoin d’isolateurs qui bloquent les réflexions indésirables. Mais jusqu’à présent, les isolateurs qui fonctionnent bien dans les expériences à grande échelle se sont avérés difficiles à miniaturiser. »

Même dans le meilleur des cas, la lumière est difficile à contrôler : elle se réfléchit, absorbe et se réfracte lorsqu’elle rencontre une surface area. Un miroir renvoie la lumière d’où elle vient, un éclat de verre courbe la lumière tout en la laissant passer, et des roches sombres absorbent la lumière et la convertissent en chaleur. Essentiellement, la lumière dispersera volontiers dans tous les sens tout ce qui se trouve sur son passage. Ce comportement difficile à manier est la raison pour laquelle même un soupçon de lumière est bénéfique pour voir dans l’obscurité.

Le contrôle de la lumière dans les grands dispositifs quantiques est normalement une tâche ardue qui implique une vaste mer de miroirs, de lentilles, de fibres, and so forth. La miniaturisation nécessite une approche différente pour bon nombre de ces composants. Au cours des dernières années, les scientifiques et les ingénieurs ont fait des progrès significatifs dans la conception de divers éléments de contrôle de la lumière sur des micropuces. Ils peuvent fabriquer des guides d’ondes, qui sont des canaux de transport de lumière, et peuvent même changer de couleur à l’aide de certains matériaux. Mais forcer la lumière. à se déplacer dans une route tout en supprimant les réflexions arrière indésirables est délicat.

« Un isolateur est un dispositif qui permet à la lumière de passer sans interruption dans un sens et la bloque complètement dans la way opposée », a déclaré le premier auteur de l’étude, Benjamin Sohn, ancien étudiant diplômé et chercheur postdoctoral à Mechse qui est maintenant au NIST, Boulder. « Cette unidirectionnalité ne peut pas être obtenue en utilisant n’importe quel matériau diélectrique ou verre commun, et nous devons donc être un peu furthermore innovants. Nous voulons également que l’isolateur fonctionne à des longueurs d’onde de lumière adaptées aux capteurs atomiques, ce qui peut être difficile même à grande échelle. »

Dans les expériences typiques, le meilleur outil pour atteindre l’unidirectionnalité utilise des aimants. Par exemple, presque tous les lasers ont un isolateur magnéto-optique qui laisse la lumière sortir du laser mais l’empêche de reculer, ce qui perturberait la fonctionnalité du laser. Alors que même les lasers peuvent être miniaturisés, le rétrécissement des isolateurs conventionnels est problématique pour deux raisons. Premièrement, dans les appareils compacts, les champs magnétiques affecteraient négativement les atomes voisins. Deuxièmement, même s’il y avait un moyen de contourner ce problème, les matériaux qui se trouvent à l’intérieur de l’isolateur ne fonctionnent pas aussi bien sur les plus petites échelles de longueur sur une puce.

L’équipe de Bahl a fait la démonstration d’un nouvel isolateur non magnétique qui s’avère de conception straightforward, utilise des matériaux optiques courants et est facilement adaptable à différentes longueurs d’onde de lumière.

 » Nous voulions concevoir un appareil qui évite naturellement les pertes, et le meilleur moyen d’y parvenir est de faire en sorte que la lumière se propage à travers rien. a déclaré Bahl.

Dans un système complet à base d’atomes, le guideline d’ondes dirigerait la lumière laser à travers une série d’éléments vers une petite chambre contenant des atomes. Dans cet esprit, l’équipe a optimisé sa puce pour une utilisation avec une lumière de 780 nanomètres, qui est la longueur d’onde nécessaire pour configurer les capteurs communs à base de rubidium.

Ce n’est que la première moitié de la conception vehicle pour l’isolement, la lumière doit être simultanément bloquée dans la direction opposée. Auparavant. Dans la nouvelle étude, l’équipe a transformé cette idée en une démonstration d’un élément de puce fonctionnel.

qui ressemble à une piste de course oblongue. Normalement, la lumière entrante passerait simplement du tutorial d’ondes dans le résonateur, quelle que soit sa way, bloquant ainsi tout flux lumineux. Mais lorsque l’équipe a appliqué des ondes sonores à l’anneau, le résonateur n’a capturé que la lumière qui se déplaçait vers l’arrière à travers le tutorial d’ondes. Dans le sens immediate, la lumière traversait le guideline d’ondes sans entrave, comme si le résonateur n’était tout simplement pas là.

tout en n’ayant qu’une possibility sur dix mille de le faire vers l’arrière. Cela signifie que la conception a réduit les pertes, ou l’absorption de lumière indésirable, à presque zéro, ce qui était un problème de longue day avec les précédents isolateurs sur puce. Les données montrent que les nouveaux appareils présentent des performances record pour l’isolation sur puce et fonctionnent aussi bien que les moreover grands appareils à base d’aimants. De plus, l’approche est versatile et peut être utilisée pour plusieurs longueurs d’onde sans changer le matériau de départ.

« La simplicité de fabrication est la clé – avec notre approche. tous sur la même puce en même temps. Ce n’est tout simplement pas possible avec d’autres approches aujourd’hui », a déclaré co -auteur Ogulcan Orsel, étudiant diplômé en génie électrique à l’U of I.

Cela pourrait rendre la nouvelle conception utile pour d’autres programs, comme l’informatique quantique, où les champs magnétiques parasites et incontrôlés ainsi que la lumière indésirable peuvent éroder les performances globales de l’appareil.

Le travail a été soutenu par la Protection State-of-the-art Research Jobs Agency (DARPA), l’Air Drive Office environment of Scientific Analysis (AFOSR), la National Science Basis (NSF) et l’Office of Naval Exploration (ONR).