اگر نور بتواند از سمت چپ به راست منتشر شود، انتشار آن در جهت مخالف یعنی راست به چپ هم اتفاق می‌افتد. به طور معمول یک پرتوی نور را تنها با انعکاس در آینه می‌توان به نقطه اولیه انتشارش برگرداند. پژوهشگران دانشگاه فناوری وین دستگاه جدیدی را برای شکست این قانون ابداع کرده‌اند. این دستگاه که مبتنی بر فیبر شیشه‌ای است نور را در یک جهت انتقال می‌دهد، درست مانند یک دیود الکتریکی که جریان را تنها در یک جهت هدایت می‌کند. در صورتی که پالس نور عبوری از فیبر تنها از چند فوتون تشکیل شده باشد باز هم قانون «انتشار یک طرفه» صدق خواهد کرد. این مسیر یک طرفه برای نور می‌تواند در تراشه‌های نوری استفاده شود و در نتیجه در پردازش سیگنال‌های نوری بسیار مهم است.

پردازش سیگنال‌های نوری به جای الکترونیکی

عناصری که اجازه عبور نور فقط از یک مسیر را می‌دهند «عایق‌های نوری» نامیده می‌شوند. آرنو راشنبایت از مرکز علوم و فناوری دانشگاه فناوری وین در این باره می‌گوید: در اصل، یک چنین اجزایی را از مدت‌ها پیش در اختیار داشته‌ایم. بیشتر عایق‌های نوری مبتنی بر قانون فارادی هستند؛ بر اساس این قانون اگر یک میدان مغناطیسی قوی به ماده شفاف موجود بین دو فیلتر پلاریزاسیون عمود بر هم اعمال شود، جهت میدان مغناطیسی می‌تواند جهت مجاز برای عبور نور را تعیین کند. اما حقیقت تلخ این است که به دلایل فنی دستگاه‌های مبتنی بر اثر فارادی را نمی‌توان در ابعاد نانو ساخت و به این ترتیب نمی‌توان از کاربردهای بسیار جالب این قانون در ابعاد نانو بهره برد.

راشنبایت ادامه می‌دهد: امروزه پژوهشگران به دنبال ساخت مدارهای نوری مجتمع مشابه همتایان الکترونیکی خود هستند. روش‌هایی که برای از بین بردن این تشابه وجود دارند تنها در شدت‌های بسیار بالا جواب می‌دهند. اما در فناوری نانو، هدف نهایی کار با سیگنال‌های نوری بسیار ضعیف است که حتی ممکن است این سیگنال‌ها تنها از چند فوتون منفرد تشکیل شده باشند.

فیبرهای شیشه ای و اتم‌ها

ویژگی دیگری از نور هم در این مطالعه باید در نظر گرفته می‌شد؛ این ویژگی جهت نوسانات موج نور است که پولاریزاسیون یا قطبش نامیده می‌شوند. اندرکنش نور با فیبر شیشه‌ای، حالت نوسانات نور را تعیین می‌کند. راشنبایت در این باره می‌گوید: پلاریزاسیون درست مانند روتور هلیکوپتر می‌چرخد و جهت چرخش به این بستگی دارد که نور به جلو یا عقب حرکت می‌کند. در یک مورد، موج نور می‌تواند در جهت عقربه‌های ساعت و در مورد دیگر خلاف جهت عقربه‌های ساعت نوسان کند. در حالت کلی جهت انتشار و حالت نوسانات موج نور به یگدیگر وابسته هستند.

می‌توان اتم را در برهم نهی کوانتومی دو حالت ممکن قرار داد تا در یک زمان هم جلوی نور را سد کند و هم اجازه عبور به آن دهد. براساس قوانین فیزیک کلاسیک، این کار غیر ممکن است اما فیزیک کوانتوم چنین شرایطی را امکان‌پذیر می‌کند.

اگر اتم‌های قلیایی درحالت کوانتومی مناسب حاضر باشند و با نور در داخل فیبر شیشه‌ای تزویج شوند، در آنصورت می‌توان آنها را وادار به واکنش‌های متفاوتی به حالت‌های چرخش نور کرد. حرکت نور در جهت رو به جلو تحت تاثیر اتم‌ها قرار نمی‌گیرد. در حالی که نوری که رو به عقب حرکت می‌کند و مرتبا می‌چرخد با اتم‌های قلیایی همراه شده و از فیبر شیشه‌ای به بیرون پخش می‌شود.

حالت اتمی به عنوان یک سوئیچ کوانتومی

این اثر به دو روش مختلف در دانشگاه فناوری وین نشان داده شد؛ در روش اول ۳۰ اتم در داخل فیبر نوری قرار داده شد. به محض ارسال نور در داخل فیبر، انتقال بیشتر از ۸۰ درصد از اتم‌ها در یک جهت انتشار ثبت شد و این در شرایطی بود که این انتقال ۱۰ برابر کمتر از جهت انتشار مخالف بود. در روش دوم، فقط یک اتم روبیدیوم مورد استفاده قرار گرفت. در این  مورد، نور به طور موقت در داخل یک میکرورزوناتور نوری ذخیره شد و به این ترتیب توانست مدت بیشتری با اتم اندرکنش کند. با این روش هم کنترل مشابهی روی انتقال سیگنال به دست آمد. 

راشنبایت می‌گوید: زمانی‌که ما فقط از یک اتم استفاده می‌کنیم، کنترل دقیق‌تری بر روند کار داریم. ما می‌توانیم اتم را در برهم نهی کوانتومی دو حالت ممکن قرار دهیم تا در یک زمان هم جلوی نور را سد کند و هم اجازه عبور به آن دهد. براساس قوانین فیزیک کلاسیک، این کار غیر ممکن است اما فیزیک کوانتوم چنین شرایطی را امکان‌پذیر می‌کند. به این ترتیب راه جدیدی برای پردازش نوری اطلاعات کوانتومی ایجاد می‌شود.

ثمین موتمن فر / کارشناس ارشد الکترونیک نوری

منبع