Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Nano-Einbahnstraße für Licht

14.12.2015

An der TU Wien gelang es, ein optisches Element auf der Nanoskala zu erzeugen, das Licht nur in eine Richtung durchlässt. Dazu wurden Alkali-Atome an dünne Glasfasern gekoppelt.

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.


Nur eine Richtung ist erlaubt

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 und 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.

Rückfragehinweis:
Prof. Arno Rauschenbeutel
Atominstitut
Vienna Center for Quantum Science and Technology
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141761
arno.rauschenbeutel@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.5.041036 Originalpublikation
https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2015/nano_einbahnstrasse/ Bilderdownload

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen
19.06.2018 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics