Les fibres optiques sont omniprésentes, transporter la lumière partout où elle est nécessaire. Ces tunnels de verre sont le chemin de fer à grande vitesse du transit de l'information, déplacer des données à des vitesses incroyables sur des distances énormes. Les fibres sont également fines et flexibles, afin qu'ils puissent être immergés dans de nombreux environnements différents, y compris le corps humain, où ils sont utilisés pour l'éclairage et l'imagerie.

Les physiciens utilisent des fibres, trop, en particulier ceux qui étudient la physique atomique et la science de l'information quantique. En plus de faire circuler la lumière laser, les fibres peuvent être utilisées pour créer des pièges à lumière pour les atomes super-refroidis. Les atomes capturés peuvent interagir plus fortement avec la lumière, beaucoup plus que s'ils se déplaçaient librement. Cet environnement plutôt artificiel peut être utilisé pour explorer des questions de physique fondamentale, comme la façon dont une seule particule de lumière interagit avec un seul atome. Mais il peut également aider au développement de futures technologies hybrides optiques atomiques.

Maintenant, des chercheurs du Joint Quantum Institute et du Army Research Laboratory ont mis au point un manière non invasive d'utiliser la lumière des fibres pour révéler des informations sur les pièges à fibres. Cette technique rappelle les capteurs biomédicaux et chimiques qui utilisent des fibres pour détecter les propriétés des molécules voisines. Les capteurs à fibre sont un outil de mesure intéressant car ils peuvent souvent extraire des informations sans perturber totalement les phénomènes intéressants qui peuvent se produire. La recherche est apparue comme un choix de l'éditeur dans le journal Lettres d'optique . L'équipe a également publié un article de synthèse sur les fibres optiques à l'échelle nanométrique dans le dernier volume de Advances in Atomic, Moléculaire, et la physique optique.

Fibres optiques typiques, comme ceux utilisés dans les communications et la médecine, n'ont qu'une infime quantité de lumière près de la surface extérieure, et cela ne suffit pas pour capturer les atomes d'un gaz environnant. Les physiciens peuvent pousser plus de lumière vers l'extérieur en remodelant la fibre pour qu'elle ressemble à un petit sablier au lieu d'un tunnel. La taille du sablier est de centaines de nanomètres, quelques fois la largeur d'un cheveu humain et trop petit pour contenir des ondes lumineuses qui se propagent à l'intérieur de la fibre. Mais au lieu de simplement s'arrêter à la constriction, la lumière se rapproche de la surface extérieure. Lorsque les physiciens injectent de la lumière aux deux extrémités d'une telle fibre, les ondes lumineuses se combinent pour former une ondulation stationnaire autour de la constriction. Les atomes seront attirés par les creux de la vague et s'aligneront comme une rangée d'œufs dans un carton.

Ce piégeage est un exemple de la façon dont la lumière affecte les atomes, mais la relation atome-lumière est réciproque :la présence d'atomes peut altérer la lumière, trop. Les ondes lumineuses, envoyé dans une extrémité d'une fibre nanométrique, recueillera des informations sur les atomes à proximité de la fibre, puis l'acheminer vers un détecteur à l'extrémité opposée de la fibre.

Chaque atome piégé agit comme une bille dans un bol en verre. Lorsqu'il est poussé, une bille enroulera le côté du bol, reculer, puis remonter de l'autre côté. La vitesse de ce cycle est liée à la courbure du bol :des parois plus raides provoquent des cycles plus rapides. Imaginez maintenant que vous faites briller une lampe de poche à travers un côté du bol. Au fur et à mesure de ses allers-retours, la bille continuera à traverser le faisceau de la lampe de poche. Le signal du faisceau clignotera à la vitesse à laquelle la bille se déplaçait dans le bol. En d'autres termes, les informations sur le mouvement de la bille, et donc la forme du bol, est codé sur le faisceau de la lampe de poche.

Dans cette recherche, l'équipe utilise la lumière laser comme sonde, analogue à la lampe de poche. Une puissance de 70 nanowatts seulement est injectée dans la fibre, donner un coup de pied doucement aux atomes en mouvement. Semblable aux oscillations de marbre, les atomes basculent d'avant en arrière dans leurs pièges à bol. Au lieu de faire clignoter le voyant de la sonde, le mouvement de l'atome affecte la direction dans laquelle les ondes lumineuses oscillent. La vitesse de bascule de l'atome, qui est directement lié à la forme du piège à atomes, sera imprimé sur la lumière en tant que changements plus rapides ou plus lents.

Lorsque les ondes lumineuses terminent leur parcours et sortent de la fibre, l'équipe les attrape avec un détecteur pour surveiller en permanence les oscillations de la lumière atomique. Le processus est rapide, ne prenant qu'une fraction de milliseconde, et il peut être intégré de manière transparente dans une séquence expérimentale.

Lorsqu'il s'agit de mesurer ces propriétés de piège à atomes, les physiciens veulent éviter les perturbations. Cela peut être difficile à faire car l'un des moyens les plus efficaces de sonder les atomes consiste à les exploser avec de la lumière, qui peuvent les chauffer et même les libérer de leurs pièges. Cette méthode conventionnelle est acceptable car les scientifiques peuvent simplement refroidir et recapturer les atomes. En revanche, la technique JQI-ARL utilise très peu de lumière et se fait in-situ, ce qui signifie qu'il collecte des informations tout en minimisant les perturbations. Cette alternative attrayante promet de rationaliser les expériences sur les fibres atomiques.