Kvantna elektrodinamika u optičkom rezonatoru jedan je od važnih ogranaka moderne atomske, molekularne i optičke fizike u kojem se proučava međudjelovanje svjetlosti i tvari. Posljednjih godinu dana obilježilo je nekoliko izuzetnih eksperimenata u tom području, namećući potrebu za pojašnjenjem nekih osnovnih pojmova kao što je npr. spontana emisija, pojam koji je nepotpuno opisan u školskim udžbenicima.
Opažanje pojedinačnih fotona bez uništavanja (grupa prof. Haroshea 15.7.1999) početkom ove godine slijedilo je opažanje putanja pojedinačnih atoma (Atom-Cavity Microscope, grupa prof. Kimblea, 25.2.2000. i grupa prof. Rempea, 23.3.2000.).

U udžbeniku fizike za četvrti razred piše: "Ako atom apsorbira neku vanjsku energiju i prijeđe iz osnovnog u neko pobuđeno stanje, u tom stanju ostaje vrlo kratko, obično ni miljuntinku sekunde. Tada spontano (sam od sebe, bez vanjskog utjecaja) prelazi u neko stanje niže energije, pa kažemo da elektron skače s više energijske razine na nižu." Iz toga bi se dalo zaključiti da je spontana emisija svojstvo atoma. No to baš i nije tako jednostavno niti bez vanjskog utjecaja. Spontana emisija je svojstvo sustava atom+vakuum. Da bi u pobuđenom atomu elektron prešao u stanje niže energije i pritom otpustio jedan foton, mora taj foton moći negdje otići. Mora postojati u slobodnom prostoru (vakuumu), koji ga okružuje, neki način (mod) titranja. Slobodni prostor, vakuum, nije nešto potpuno prazno već se može zamisliti da sadrži beskonačan broj oscilatora elektromagnetskog polja, različitih frekvencija i usmjerenja (modova). Pobuđeni atom u slobodnom prostoru uvijek će naći neki mod za prihvat svojeg fotona, odnosno bit će od nekog moda vakuuma stimuliran na zračenje fotona. Detaljniji opis fenomena spontane emisije koji je u potpunosti u okviru kvantne fizike zahtjeva puno više prostora i matematike, vidi zato dodatne linkove na kraju o nultoj-točki energije vakuuma i slučajnim kvantnim fluktuacijama elektromagnetskog polja.

Ako smjestimo pobuđeni atom u optički rezonator spontana emisija može se u potpunosti spriječiti ili pak značajno ubrzati. Optički rezonator dobijemo, na primjer, ako dva zakrivljena zrcala okrenemo jedno nasuprot drugom i učinimo savršeno paralelnim. Taj jednostavni raspored pruža fantastična svojstva. U njemu je omogućeno nastajanje laserskog svjetla ili pak čini osnovu superosjetljivih detektora. Unutar optičkog rezonatora moguće su oscilacije elektromagnetskog polja samo na određenim frekvencijama. Ako je udaljenost zrcala usporediva ili manja od valne duljine EM vala, neće unutar takvog optičkog rezonatora postojati niti jedan mod (način) titranja. Ako u takav rezonator ubacimo pobuđeni atom koji mora izzračiti foton te valne duljine on to neće moći. Ostat će pobuđen dok god se nalazi unutar rezonatora. Prije petnaestak godina nekoliko je grupa istraživača pokazalo produljenje života pobuđenog atoma i do četerdesetak puta.

Sličnu fizikalnu situaciju poznajemo iz svakodnevnog života. Slušajući radio pri vožnji automobilom, primijetit ćemo nestanak signala dok prolazimo tunelom. Zidovi tunela djeluju kao rezonator koji reže duge valove radio signala i ne dopušta njihovo širenje do našeg prijemnika. Radio valovi se ne mogu širiti kroz tunel ako udaljenost armiranih zidova nije bar pola valne duljine.

Ako optičkom rezonatoru malo povećamo udaljenost zrcala, (ili atom promjeni orijentaciju), možemo omogućiti jedan mod titranja. Pobuđeni atom možda će moći izračiti foton ali će se on, zbog velike refleksivnosti dugo zadržati unutar rezonatora. Time se može ostvariti snažno vezanje fotona i atoma. Tu je srž kvantne elektrodinamike u optičkom rezonatoru iz koje proizlazi niz fundamentalnih istraživanja i očekivanih primjena u području kvantnog računanja i komunikacje.

U veljači ove godine grupa profesora Kimblea (Kalifornijski Institut za tehnologiju, Caltech) obznanila je stvaranje rezonatorskog mikroskopa za atome (A Microscope that Eyes the Atom) koji omogućava zarobljavanje i opažanje pojedinačnih atoma u realnom vremenu (Science 287, 1447 25. Feb. 2000). Njihov optički rezonator sastoji se od para vrlo refeleksivnih zrcala udaljenih svega deset mikrometara. Jednim laserom stvaraju slabo polje svjetlosti unutar rezonatora koje zahvaća atom cezija koji se, iz magnetsko-optičke stupice, ubacuje u procijep između zrcala. Prisustvo atoma, njegovo kretanje unutar rezonatora uzrokuje velike promjene u svjetlosnoj propusnosti rezonatora, i čega se pomoću složenih računskih operacija može rekonstruirati putanja atoma. Animacije tih putanja možete vidjeti ovdje.

Nešto kasnije, grupa profesora Rempea (Max-Planck-Institut za Kvantnu optiku, Garching) obznanjuje da su, u vrlo sličnom eksperimentu, uspjeli postići vezano stanje jednog atoma i jednog fotona (Nature, March 23, 2000). (više detalja: Optical tweezers: single photons trap a single atom) Njihova eksperimentalna postava slična je eksperimentu s Caltecha. Zrcala su 99.999 posto refleksivna i udaljena 100 mikrometara. U optički rezonator ubacuju se ohađeni atomi u aranžmanu tzv. atomske fontane. Laserski snop vrlo slabog intenziteta prolazi duž osi rezonatora. U trenutku kad se atom nađe točno u sredini između zrcala, pojača se intenzitet laserskog snopa tako da jedan kvant svjetlosti nađe unutar rezonatora.

Dolazi do periodičke izmjene energije između atoma i fotona, praktički do vezanog stanja - nove vrste molekule. Ta periodička izmjena energije inducira periodičko gibanje atoma, koje se može kontinuirano pratiti u realnom vremenu. Na slici lijevo prikazana je izračunata putanja (žuto) ultrahladnog atoma u ravnini okomitoj na laserski snop (magenta). Atom dolazi odozdo, tvori vezano stanje s kvantom svjetlosti i izlazi prema gore lijevo. Slika eksperimentalne postave i putanje atoma preuzeta je, uz dopuštenje, sa http://www.mpg.de/news00/news5_00.htm.

Kvantna elektrodinamika u rezonatoru pravo je igralište za fizikalnu realizaciju kvantnih logičkih vrata ili pak malih kvantnih kompjutera, jer omogućava igranje s pojedinačnim atomima i s po jednim jedinim fotonom, kojima se mogu po volji pridruživati dodatni atomi i fotoni i stvarati njihova zamršena stanja. Sigurno će u skoroj budućnosti biti još novih vijesti na siteovima CQED grupa.

MPQ eksperiment: First Time Success: Individual Photons in a Trap
MPQ Microlaser: The Micromaser
CQED poster, za napredne: CQED POSTER
Neke grupe koje se bave CQED-om:
Rempe group: experimental quantum optics
Caltech Quantum Optics - Jeff Kimble
University of Oregon -Thomas Mossberg
Peter Knight grupa UK
Microlaser - MIT grupa
QUIC - Kvantno računanje
Innsbruck grupa - Zoller
Popularni članci:
Serge Haroche i Daniel Kleppner, Cavity Quantum Electrodynamics, Physics Today, January 1989 24-30.
Serge Haroche i Jean-Michel Raimond, Cavity Quantum Electrodynamics, Scientific American, April 1993, 26-33.
Vezana tematika:
Scientific American: Ask the Experts: Physics: Što je energija vakuuma i važan nastavak ovdje
Exploiting Zero-Point Energy, Scientific American
H.E. Puthoff: Kvantne fluktuacije praznog prostora: ...
Nova vrsta zrcala: Mirror is fairest of them all

Pripremio: Dr. Slobodan Milošević, Institut za fiziku, Zagreb, srpanj 2000.