DESY teadlaste rühm tegi Dr Ralf Röhlsbergeri juhendamisel uurimustöö, kasutades kõrge heledusega sünktrotron valgusallikat (high-brilliance synchrotron light source) PETRA III-e. Uurijatel õnnestus muuta aatomituumi röntgenkiirte abil läbipaistvateks. Samal ajal avastasid nad uue viisi, kuidas realiseerida optiliselt kontrollitavat valguslülitit, mida on võimalik kasutada valguse manipuleerimiseks valguse abil. See oleks tähtis koostisosa tulevaste tõhusate kvantarvutite tarbeks. Uurimustöö tulemused avalikustati teadusajakirja Nature hiljuti avaldatud numbris.
Elektromagneetiliselt esile kutsutud läbipaistvuse (ingl.k. electromagnetically induced transparency – EIT) efekt on laserifüüsikute seas hästi tuntud. Kindla lainepikkusega laserikiirgusega on võimalik muuta mitte-läbipaistvaid aineid teise lainepikkusega valguse jaoks läbipaistvateks. Selle efekti tekitab keeruline kiirguse vastastikmõju aatomi elektronkattega. DESY röntgenkiirte allika PETRA III abil õnnestus Röhlsbergeri juhitud Helmholtzi uurijate meeskonnal esmakordselt tõestada, et see läbipaistvuse efekt kehtib ka röntgenkiirguse puhul, kui röntgenkiiri suunatakse Mössbaueri raud-57 isotoobi aatomituumadele. See isotoop moodustab kaks protsenti looduses leiduvast rauast. Üsna märkimisväärselt on selle efekti vaatlemiseks vajalik kasutada väga madalat kiirgusintensiivsust, mis on kontrastiks standartsetele EIT-i eksperimentidele, kirjutab Physorg.com.
Pildid kahest objektist, mis asuvad kahe paralleelse peegli vahel, illustreerivad elektromagneetiliselt esile kutsutud aatomituuma läbipaistvuse printsiipi. Röntgenkiirte vastastikune toime kahe rauakihiga seesuguses peegelsüsteemis (optilises resonaatoris) tekitab raua ja selle peegelpiltide kvantmehaanilise superpositsioonilise seisundi. Selle tõttu paistavad raua aatomituumad läbipaistvatena. Pilt: Dr. Ralf Roehlsberger, DESY
Teadlased asetasid käesoleva eksperimendi käigus kaks õhukest raud-57 aatomitest kihti optilisse õõnsusesse. Selleks oli kaks plaatinapeeglit paigutatud paralleelselt, mis võimaldas röntgenvalgust mitmeid kordi peegeldada. Kaks umbes kolme nanomeetri paksust raud-57 aatomitest kihti hoiti süsiniku abil kahe plaatinapeegli vahel kindlas positsioonis. Süsinik on antud eksperimendis kasutatud lainepikkusel röntgenkiirte valguse suhtes läbipaistev. Seda vaid 50-nanomeetrise kogupaksusega „võileiba“ kiiritati väga madalate nurkade alt üliõhukese röntgenkiirega PETRA III sünktrotroni kiirgusallikast.
Selles peegelsüsteemis peegeldub kiirgus mitmeid kordi edasi-tagasi, luues seisulaine – niinimetatud resonantsi. Kui valguse lainepikkuse ja mõlema rauakihi vahelist kaugust hoitakse õiges proportsioonis, on teadlastel võimalik näha, kuidas raud muutub röntgenkiirte jaoks peaaegu läbipaistvaks. Selle efekti ilmnemiseks peab üks rauakiht asetsema täpselt kiirgusresonantsi miinimumis (noodis) ning teine täpselt maksimumis. Kui kaht kihti õõnsuses nihutatakse, muutub süsteem kohe mitteläbipaistvaks. Teadlased omistavad selle nähtuse kvant-optilisele efektile, mida põhjustab aatomite vaheline vastastiktoime raudkihtides.
Erinevalt üksikutest aatomist neelavad ja kiirgavad optilises õõnsuses olevad aatomid kiirgust sünkroonselt. Antud eksperimendi geomeetria puhul tühistasid aatomite võnked üksteist vastastikku, mille tulemusena paistab süsteem läbipaistvana. Kontrastina eelnevatele eksperimentidele optilises režiimis oli selle efekti esile kutsumiseks tarvis vaid mõnda valguskvanti.
„Meie uurimustöö tulemus, aatomtuuma läbipaistvuse saavutamine, on sisuliselt EIT efekt aatomtuumas,“ sõnas Röhlsberger. „Kahtlemata on esimeste kvantvalgusarvutite loomiseni pikk tee. Sellegipoolest oleme selle efekti abil võimelised sooritama uut klassi kvantoptilisi eksperimente kõrgeima tundlikusega. Hamburgi ehitatava Euroopa XFEL röntgenlaseri abil on röntgenkiirguse kontrollimine röntgenkiirgusega reaalne võimalus.“
Käesolev eksperiment tähendab kahtlemata olulist tehnilist edasiminekut kvant-arvutustehnika jaoks. Lisaks võimalusele muuta aineid kiirguse abil läbipaistvateks on kiirguse intensiivsus tulevaste tehniliste saavutuste jaoks otsustava tähtsusega. Iga lisanduv valguskvant tekitab lisakadu soojuses; seda aga saaks käesoleva äsjaavastatud efekti abil vähendada.
Nende eksperimentide jätkumise võimaldamiseks ja üliväikese röntgenkiire optimaalseks rakendamiseks paigaldatakse DESY-sse uus katte-asutus, kus on võimalik neid optilisi õõnsusi toota ja optimeerida.
DESY teadlaste läbi viidud eksperimentide tulemused näitasid ka teist paralleeli EIT efektiga: optilisse õõnsusesse lõksustatud valgus liigub vaid mõnemeetrise sekundikiirusega, kui tavaliselt liigub valgus pea 300 000 kilomeetrit sekundis. Edasiste katsete käigus selgitavad uurijad, kui aeglaselt valgus nendel tingimustel tegelikult liigub ja kas seda efekti on võimalik teaduslikult rakendada. Üheks võimalikuks rakenduseks ja samas ka oluliseks ehituskiviks teel valgus-kvantarvutite väljatöötamiseni on näiteks informatsiooni hoiustamine üliaeglaste või isegi peatunud valgusimpulssidega.
Teadusartikkel: „Electromagnetically induced transparency with resonant nuclei in a cavity“
Leave a Reply