Helikopter-Lichtstrahlen als neues Werkzeug der Quantenoptik
Licht in Flaschen abzufüllen ist heute kein großes Problem mehr: Man schickt Laserstrahlen in eine Glasfaser – allerdings nicht so, dass sie sich entlang der Glasfaser ausbreiten, sondern so, dass sie an einer flaschenartig bauchigen Stelle um die Glasfaser herum im Kreis laufen. Etwa zehn Nanosekunden oder 30.000 Umläufe lang kann Licht auf diese Weise aufbewahrt werden - lange genug, um das Licht mit Atomen wechselwirken zu lassen, die sich in unmittelbarer Nähe der Glasfaser befinden.
Eine transversal polarisierte Welle überträgt Licht in die Glasfaser, wo sie in einem Flaschen-Resonator eingefangen wird. Atome, die sich außen an der Faser anlagern (blau) koppeln dann an die Welle.
TU Wien
In einer Glasfaser - etwa halb so dick wie ein menschliches Haar - läuft Licht auf einer Spiralbahn um deren Achse. Dabei kann das Licht entlang der Glasfaser nicht entkommen, weil deren Durchmesser zu beiden Seiten abnimmt. So wird das Licht gefangen und bleibt für eine Zeit gespeichert.
TU Wien
Die Schwingung der Lichtwelle hat einen longitudinalen Anteil – dadurch beschreibt die Schwingung eine Zykloide, wie ein Punkt auf dem Rotorblatt eines nach vorne fliegenden Helikopters.
TU Wien
An der TU Wien konnte man nun zeigen, dass auf diese Weise Licht und Materie deutlich stärker aneinander gekoppelt werden können als bisher angenommen. Der Grund dafür liegt in einer ungewöhnlichen Eigenschaft, die das Licht in solchen Flaschen-Resonatoren zeigt: Es schwingt in longitudinaler Richtung.
Propellerflugzeug oder Helikopter?
Lichtwellen können in einer bestimmten Ebene schwingen, sie können sich auch schraubenartig drehen, doch bei Lichtwellen, die sich eben und geradlinig ausbreiten ist diese Schwingung – man spricht auch von der Polarisation – immer transversal, also senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. „Man kann sich das vorstellen wie einen Flugzeugpropeller – er dreht sich und steht dabei immer senkrecht zur Flugrichtung“, erklärt Prof. Arno Rauschenbeutel (Vienna Center for Quantum Science and Technology, Atominstitut der TU Wien). „Licht, das in unserem Mikroresonator eingesperrt ist, hat aber auch eine longitudinale Schwingungskomponente, also in Ausbreitungsrichtung. Die Lichtwelle verhält sich dann so wie der Rotor eines vorwärts fliegenden Helikopters.“ Während sich ein Punkt auf dem Flugzeugpropeller in einer Schraubenlinie fortbewegt, beschreibt ein Punkt auf dem Helikopter-Rotor eine kompliziertere geometrische Bahn – eine sogenannte Zykloide.
Wellen-Überlagerungen
Für das Verhalten der Lichtwelle hat die Schwingungsrichtung eine große Bedeutung. Entlang des Umfangs der Glasfaser kann das Licht nämlich in zwei Richtungen laufen – mit dem Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn. Wenn sich auf diese Weise zwei transversal schwingende Lichtwellen überlagern, so werden sie sich an manchen Stellen verstärken und an anderen auslöschen. Diese destruktive Interferenz limitiert die Stärke, mit der die Lichtwellen an ein Atom außerhalb der Glasfaser gekoppelt werden können.
Schwingen die Lichtwellen allerdings auch in Ausbreitungsrichtung, dann unterscheidet sich der Schwingungszustand der Welle, die im Uhrzeigersinn läuft von dem der gegenläufigen Welle.
In diesem Fall ist eine vollständige Auslöschung der gegenläufigen Lichtwellen durch destruktive Interferenz unmöglich. „Das war zunächst für uns sehr überraschend: Dass Licht auch longitudinal schwingen kann, ist zwar grundsätzlich nichts fundamental Neues – aber im Zusammenhang mit der Kopplung von Licht und Materie in Mikroresonatoren hatte das bisher noch niemand bedacht“, erklärt Arno Rauschenbeutel.
Kopplung von Licht und Materie
Die Ergebnisse aus den Quanten-Labors der TU Wien könnten in ganz unterschiedlichen Fachgebieten ein neues Nachdenken über longitudinal schwingendes Licht anstoßen: Sogar fokussierte Laserstrahlen im freien Raum haben eine longitudinale Schwingungs-Komponente. „Vor allem aber wissen wir jetzt, dass unsere experimentelle Methode viel besser funktioniert als erwartet“, sagt Rauschenbeutel. „Wir erzielen eine sehr starke Kopplung zwischen dem Licht in der Glasfaser und einzelnen Atomen, die sich knapp außerhalb der Glasfaser befinden.“
Einerseits eröffnet das die Möglichkeit, extrem sensitive Sensoren zu bauen, die einzelner Atome mit Licht detektieren können. Andererseits lassen sich in den Flaschen-Mikroresonatoren die quantenoptischen Grundlagen der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie untersuchen. Und schließlich planen die Forscher, in ihrem Experiment eine Weiche für Licht zu realisieren, in der ein einzelnes Atom den Lichtstrom zwischen zwei möglichen Ausgängen umschaltet. Eine solche quantenmechanische Lichtweiche könnte dann verwendet werden, um zukünftige Quantencomputer mittels Glasfasern untereinander zu verbinden.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
![[Fe]-Hydrogenase-Katalyse mittels Parawasserstoff-verstärkter Kernmagnetresonanzspektroskopie sichtbar gemacht](https://img.chemie.de/Portal/News/675fd46b9b54f_sBuG8s4sS.png?tr=w-712,h-534,cm-extract,x-0,y-16:n-xl)
Diese Produkte könnten Sie interessieren
VEGAPULS | VEGABAR | VEGASWING von VEGA Grieshaber
Füllstände cybersicher überwachen - so geht’s
Erfahren Sie mehr über den einzigartigen Sensor für flüssige und feste Medien
SprayMaster inspex von LaVision
Qualitätsprüfung für Ihren Sprühprozess durch digitale Spray- und Partikelanalyse
Verlässlich, automatisiert, digital – Die Geometrie-Messung Ihres Sprühverfahrens in Echtzeit
FireSting-PRO von PyroScience
Neues faseroptisches Messgerät: Präzise Messungen selbst in kleinsten Volumen
Messen Sie pH, Sauerstoff und Temperatur sogar unter sterilen Bedingungen
VIONIC powered by INTELLO von Metrohm
Der neue Potentiostat ideal für Batterie-, Brennstoffzellen- und Elektrolyseapplikationen
VIONIC powered by INTELLO
Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für die chemische Industrie, Analytik, Labor und Prozess bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Sensortechnik
Die Sensortechnik hat die chemische Industrie revolutioniert, indem sie präzise, zeitnahe und zuverlässige Datenbereitstellung in einer Vielzahl von Prozessen ermöglicht. Vom Überwachen kritischer Parameter in Produktionslinien bis hin zur Früherkennung potenzieller Störungen oder Gefahren – Sensoren sind die stillen Wächter, die Qualität, Effizienz und Sicherheit gewährleisten.
Themenwelt Sensortechnik
Die Sensortechnik hat die chemische Industrie revolutioniert, indem sie präzise, zeitnahe und zuverlässige Datenbereitstellung in einer Vielzahl von Prozessen ermöglicht. Vom Überwachen kritischer Parameter in Produktionslinien bis hin zur Früherkennung potenzieller Störungen oder Gefahren – Sensoren sind die stillen Wächter, die Qualität, Effizienz und Sicherheit gewährleisten.
