Ein winziger Schalter für ein paar Lichtteilchen
Über ein einzelnes Molekül lässt sich ein Lichtstrahl mit wenigen Photonen steuern
Die Jediritter der Star Wars-Saga führen einen unmöglichen Kampf. Das liegt nicht an der Überlegenheit des feindlichen Imperiums, sondern an der Physik. Denn mit Laserschwertern lässt sich nicht kämpfen wie mit metallenen Klingen: Lichtstrahlen spüren sich gegenseitig nicht. Damit ein Lichtstrahl einen anderen wahrnimmt, braucht es bislang ein größeres optisches Bauteil als Vermittler und sehr intensives Licht. Einem Team des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts ist dieser Vermittlungsprozess nun erstmals mit einem einzigen organischen Molekül und nur einer Handvoll Photonen gelungen. Mit diesen Lichtteilchen beeinflussen und schalten die Forscher einen anderen Lichtstrahl. Das grundlegende Experiment könnte nicht nur Eingang in physikalischen Lehrbüchern finden, sondern auch helfen, nanooptische Transistoren für einen photonischen Computer zu entwickeln.
Ein Mediator zwischen Lichtteilchen: Ein organisches Molekül vermittelt die Wechselwirkung zwischen einem Kontroll- und einem Probstrahl, die durch das magentafarbene beziehungsweise grüne Kügelchen im Vordergrund angedeutet sind. Dabei verändert sich die Energie der beiden Lichtstrahlen, wenn sie das Molekül verlassen. Das ist in dieser Illustration symbolisch durch das gelbe und das blaue Kügelchen dargestellt.
© Ella Maru Studio
Licht schaltet Licht: In einem Kristall werden Moleküle (rote Kügelchen) eingebettet und stark gekühlt. Dann reicht ein schwacher Kontrollstrahl (gelb), der durch eine Linse fokussiert wird, um einen Probstrahl (rosafarben) zu steuern. Abhängig vom Farbunterschied zwischen beiden Strahlen, ändert sich die Transparenz des Moleküls für den Probstrahl.
© MPI für die Physik des Lichts
Derzeit sieht die Computer-Industrie einer ungewissen Zukunft entgegen. Denn Halbleiter-Bauteile wie etwa Transistoren lassen sich nicht beliebig verkleinern und mit schnelleren Taktfrequenzen versehen. Eine Möglichkeit, trotzdem kompaktere und leistungsfähigere Rechner zu entwickeln, könnte sich ergeben, wenn Information in Form von Photonen statt Elektronen verarbeitet wird. Das ist ein großes Ziel der Photonik. Beim Versuch rein optische Transistoren zu entwickeln, gibt es jedoch ein fundamentales Problem: „Licht lässt sich nicht ohne weiteres mit Licht schalten, so wie in einem herkömmlichen Transistor elektrischer Strom mit Strom geschaltet wird“, erklärt Vahid Sandoghdar, Direktor der Abteilung Nanooptik am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und Alexander von Humboldt-Professor der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg. Wie scheu Lichtteilchen sind, wird schon offensichtlich, wenn man die Strahlen zweier Taschenlampen oder auch zweier Laser kreuzt. Dann passiert nämlich: nichts. „Es bedarf eines Mediums, das die Licht-Licht-Wechselwirkung vermittelt.“
Ein Kontrollstrahl verändert die optischen Eigenschaften des Moleküls
Nun ist es einem Team um Vahid Sandoghdar gelungen, Licht mit einem einzigen organischen Molekül und nur einer Handvoll Photonen zu kontrollieren. Dazu froren die Forscher zunächst Moleküle, die sie in einem Festkörper eingebettet hatten, bei minus 272 Grad Celsius ein. Mithilfe moderner Mikroskopie- und Spektroskopietechniken brachten sie dann zwei sorgfältig fokussierte Laserstrahlen auf einem einzelnen Molekül zum Überlappen: einen sogenannten Kontrollstrahl und einen Probstrahl, der geschaltet werden soll. „Der Kontrollstrahl hat dabei die Aufgabe, die optischen Eigenschaften des Moleküls so zu verändern, dass es für den zweiten, den Probstrahl, durchsichtig wird“, erklärt Andreas Maser, der an den Versuchen im Rahmen seiner Doktorarbeit mitwirkte.
Bislang benötigte man starke Laserstrahlen und makroskopische Materialien, um Licht mit Licht zu schalten. Denn dieser Vorgang beruht auf einer Wechselwirkung, die Physiker nicht-linear nennen. Solche nicht-linearen Wechselwirkungen sind für gewöhnlich sehr schwach, weil sie gewissermaßen vom Normalfall, der linearen Wechselwirkung abweichen. Anders als bei der linearen Wechselwirkung hängen die optischen Eigenschaften eines Materials bei nicht-linearen Wechselwirkungen auch von der Lichtintensität ab und nicht nur vom Material. Das liegt daran, dass die Elektronen, die die Schwingungen der elektromagnetischen Lichtwellen aufnehmen, dem Licht im nicht-linearen Fall nicht mehr so gut folgen können wie bei einer linearen Wechselwirkung. Wie sie auf die Lichtwellen reagieren, hängt dann auch von der Lichtintensität ab, die für den nicht-linearen Effekt aber gewöhnlich sehr hoch sein muss.
Schon ein einzelnes Photon sollte das Molekül schalten können
Den Erlanger Forschern reichten dagegen einige wenige Lichtteilchen im Kontrollstrahl, um den Probstrahl zu schalten. Denn sie nahmen ihr Experiment nahe des Absoluten Nullpunkts der Temperatur vor. „Bei sehr tiefen Temperaturen wird der Wechselwirkungsquerschnitt des Moleküls um ein vielfaches größer als seine geometrische Ausdehnung“, erklärt Benjamin Gmeiner, der an den Experimenten ebenfalls maßgeblich mitarbeitete. Das Molekül wird für das Licht also gewissermaßen zum Scheinriesen, mit der Konsequenz, dass nahezu jedes Photon des Kontrollstrahls mit dem Molekül wechselwirken kann. „Daher genügen schon wenige Photonen aus dem Laserstrahl, um die optischen Eigenschaften des Moleküls zu verändern.“ Die Forscher sind sogar überzeugt, dass sich der Kontrollpuls noch weiter abschwächen lässt: „Prinzipiell sollte schon ein einzelnes Photon ausreichen, um das Schicksal eines zweiten Photons zu ändern“, sagt Vahid Sandoghdar.
An der Kontrolle eines Lichtsignals mit einzelnen Photonen werden die Forscher nun weiter arbeiten. Die bislang geltende Voraussetzung, dass solche nicht-linearen Wechselwirkungen nur bei hohen Intensitäten möglich sind, hätten sie dann in ihr komplettes Gegenteil verkehrt. Bei anderen geplanten Experimenten hat das Erlanger Team eher die Praxis im Blick: Die Forscher möchten das Molekül als nanooptischen Transistor nämlich in eine photonische Wellenleiterstruktur einbetten. Denn ähnlich wie bei einer elektrischen Schaltung müssen die Moleküle verkabelt werden, um sich in einen Schaltkreis integrieren zu lassen. Gelingt den Forschern dies, verbessert sich die Perspektive, Information in einem photonischen Computer künftig einmal mit Licht zu verarbeiten.
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