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 Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

nachricht Innovative High Power LED Light Engine für den UV Bereich
22.06.2017 | Omicron - Laserage Laserprodukte GmbH

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: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Im Focus: Forscher entschlüsseln erstmals intaktes Virus atomgenau mit Röntgenlaser

Bahnbrechende Untersuchungsmethode beschleunigt Proteinanalyse um ein Vielfaches

Ein internationales Forscherteam hat erstmals mit einem Röntgenlaser die atomgenaue Struktur eines intakten Viruspartikels entschlüsselt. Die verwendete...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

Forschung zu Stressbewältigung wird diskutiert

21.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt

22.06.2017 | Physik Astronomie

Evolutionsbiologie: Wie die Zellen zu ihren Kraftwerken kamen

22.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Spinflüssigkeiten – zurück zu den Anfängen

22.06.2017 | Physik Astronomie