Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Helikopter-Lichtstrahlen als neues Werkzeug der Quantenoptik

27.05.2013
Lichtwellen schwingen im rechten Winkel zu ihrer Ausbreitungsrichtung – so lernt man es in der Schule. Doch an der TU Wien verwendet man nun longitudinal schwingendes Licht für Atom-Experimente.

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

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.

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

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i21/e213604
http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2013/longitudinal/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie