Eine Nano-Einbahnstraße für Licht

15.12.2015 - Österreich

Wenn Licht sich von links nach rechts ausbreiten kann, dann ist normalerweise auch die umgekehrte Richtung möglich. Lichtstrahlen lassen sich gewöhnlich mit einem einfachen Spiegel bis zu ihrer Quelle in sich zurückwerfen. An der TU Wien wurde nun eine neue Methode entwickelt, mit der man diese Regel brechen kann. Durch Atome, die an dünne Glasfasern gekoppelt werden, lässt sich eine Einbahnstraße für das Licht bauen. So wie eine Diode elektrischen Strom nur in eine Richtung durchlässt, kann das Licht die Glasfaser nur in eine Richtung passieren. Diese Einbahnregelung gilt auch dann noch, wenn das Licht bloß aus einzelnen Photonen besteht. Eine solche Einbahnstraße soll sich nun auch in integrierten optischen Chips einbauen lassen – ein wichtiger Schritt für die optische Signalverarbeitung.

Signalverarbeitung mit Licht statt Elektronik

Als „optische Isolatoren“ bezeichnet man Elemente, die Licht in einer Richtung durchlassen und in der anderen Richtung blockieren. „Solche Komponenten gibt es schon lange“, sagt Prof. Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der TU Wien. „Die meisten bisherigen optischen Isolatoren beruhen auf dem sogenannten Faraday-Effekt: Man legt ein starkes Magnetfeld an ein transparentes Material an, das sich zwischen zwei gegeneinander verdrehten Polarisationsfiltern befindet. Die Richtung des Magnetfelds legt dann fest, in welche Richtung Licht diese Anordnung passieren kann.“

Auf den Größenskalen der Nanotechnologie lässt sich ein solches Bauteil mit Faraday-Effekt aber aus technischen Gründen nicht realisieren. Und das ist schade, denn Bedarf dafür gäbe es genug. „Man versucht heute, optische integrierte Schaltkreise zu bauen, mit ähnlichen Funktionen wie man sie aus der Elektronik kennt“, erklärt Rauschenbeutel. Andere Methoden, die Symmetrie des Lichts zu brechen, funktionieren nur bei sehr hohen Lichtintensitäten – in der Nanotechnologie möchte man aber winzige Lichtsignale verarbeiten können, bis hin zu Lichtpulsen, die bloß aus einzelnen Photonen bestehen.

Glasfasern und Atome

Das Team von Arno Rauschenbeutel geht einen ganz anderen Weg: Man koppelt Alkali-Atome an das Lichtfeld in ultradünnen Glasfasern. In einem Glasfaserkabel kann sich das Licht in zwei Richtungen ausbreiten – vorwärts oder rückwärts. Allerdings gibt es bei Licht noch eine weitere Eigenschaft, die man berücksichtigen muss: Die Schwingungsrichtung der Lichtwelle, auch Polarisation genannt.

Durch die Wechselwirkung zwischen der Lichtwelle und der ultradünnen Glasfaser wird ihr Schwingungszustand verändert. „Die Polarisation dreht sich wie der Rotor eines Helikopters“, sagt Arno Rauschenbeutel. Die Drehrichtung hängt dabei davon ab, ob das Licht in der Glasfaser vorwärts oder rückwärts läuft. Einmal schwingt das Licht im Uhrzeigersinn, einmal dagegen. Ausbreitungsrichtung und Schwingungszustand des Lichts sind also fest miteinander verknüpft.

Wenn man nun Alkali-Atome richtig präpariert und an die ultradünne Glasfaser koppelt, kann man erreichen, dass sie sich bezüglich der beiden Licht-Rotationsrichtungen unterschiedlich verhalten. „Das Licht in der Vorwärtsrichtung wird von den angekoppelten Atomen nicht beeinflusst. Das Licht in der Rückwärtsrichtung allerdings, das sich andersherum dreht, koppelt an die Alkali-Atome an und wird von diesen aus der Glasfaser gestreut“, sagt Arno Rauschenbeutel.

Der Atomzustand als Quanten-Schalter

Dieser Effekt wurde im Labor an der TU Wien auf zwei verschiedene Arten demonstriert: Zunächst wurden etwa 30 Cäsiumatome entlang der Glasfaser aufgereiht. Dabei misst man eine hohe Transmission von fast 80% in einer Richtung, in der anderen Richtung lassen die Atome fast zehnmal weniger Licht passieren. In einem zweiten Experiment verwendete man sogar nur ein einziges Rubidiumatom. Hier wurde allerdings das Licht in einem sogenannten optischen Mikroresonator zwischengespeichert, sodass es für relativ lange Zeit in Kontakt mit dem Atom treten konnte. Auch auf diese Weise lässt sich die Transmission mit derselben Effizienz kontrollieren.

„Wenn wir nur ein einziges Atom verwenden, können wir den Prozess noch viel subtiler steuern“, erklärt Rauschenbeutel. „Man kann dieses Atom dann in einen Zustand versetzen, in dem es das Licht sowohl sperrt als auch durchlässt.“ Nach den Regeln der klassischen Physik ist das unmöglich – in der Quantenphysik sind solche Überlagerungen unterschiedlicher Zustände aber erlaubt. Damit würden sich ganz neue, spannende Möglichkeiten für die optische Verarbeitung von Quanteninformation ergeben.

Originalveröffentlichung

Clément Sayrin, Christian Junge, Rudolf Mitsch, Bernhard Albrecht, Danny O’Shea, Philipp Schneeweiss, Jürgen Volz, and Arno Rauschenbeutel; "Nanophotonic Optical Isolator Controlled by the Internal State of Cold Atoms"; Phys. Rev. X; 2015

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