Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optomechanischer Transistor für Licht

12.11.2010
Forscher an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) entdecken einen Effekt, der die rein optische Schaltung von Licht auf einem Chip ermöglicht.

Kernstück der modernen Telekommunikationstechnik ist die Möglichkeit, die Ausbreitung von Licht – dem Kommunikationsträger – gezielt zu steuern. Forscher im „Laboratory of Photonics and Quantum Measurement“ unter Leitung von Prof. Tobias J. Kippenberg (EPFL) haben jetzt ein neuartiges Prinzip entdeckt, mit dem sich dies erreichen lässt.


Kolorierte Aufnahme eines Mikroresonators, an dem die OMIT-Untersuchung durchgeführt wurde, mit einem Raster-Elektronen-Mikroskop. Der (oben sichtbare) rote Teil ist ein Silizium-Toroid, der gestützt wird von einer auf einem Halbleiterchip gefertigten Siliziumsäule (grau). Der Glas-Toroid ist ein exzellenter optischer Resonator für Photonen und unterstützt gleichzeitig mechanische Schwingungen. Die gegenseitige Kopplung von Photonen und Phononen kann benutzt werden, um die Ausbreitung von Licht zu steuern.

Es basiert auf der Wechselwirkung von Licht, sprich Photonen, mit mechanischen Schwingungen, d.h. Phononen. Diese Kopplung erlaubt es, die Transmission eines Lichtstrahls durch einen Chip-basierten Mikroresonator direkt mit einen zweiten, stärkeren Lichtstrahl zu kontrollieren. Die neue Methode könnte zahlreiche Anwendungen finden, von der Telekommunikation bis zur Quanteninformations-technologie (Science Express, 11. November 2010).

Ein entsprechender Effekt wurde bereits in der Wechselwirkung von Laserlicht mit atomaren Gasen beobachtet und wird als „elektromagnetisch induzierte Transparenz“ (EIT) bezeichnet. Mit EIT lässt sich die Ausbreitung von Licht auf beeindruckende Weise steuern: man kann damit Lichtpulse verlangsamen und sogar vollständig abspeichern. Allerdings beschränkt sich die Anwendung von EIT dabei auf Wellenlängen, die den natürlichen Anregungsenergien der Atome entsprechen. Auch lässt sich diese Methode nur schwer mit der Chipfabrikation vereinbaren.

Das neue Prinzip – gemeinsam entdeckt von einem Wissenschaftlerteam um Dr. Albert Schließer und Dr. Samuel Deléglise sowie den Physikdoktoranden Stefan Weis und Rémi Rivière – basiert auf der optomechanischen Kopplung von Lichtquanten an mechanische Schwingungen in einem optomechanischen Resonator. Die hier verwendeten Toroide werden in einem Reinraum der EPFL mit den für integrierte Halbleiterschaltkreise üblichen Verfahren der Nanofabrikation hergestellt. Sie lassen das eingefangene Licht umlaufen und wirken gleichzeitig wie ein mechanischer Oszillator, wobei sie, wie eine Stimmgabel, fest definierte mechanische Eigenfrequenzen besitzen.

Wird Licht in den Resonator eingekoppelt, dann üben die Photonen einen Strahlungsdruck auf dessen Wände aus. Schon seit Jahrzehnten wird diese Kraft eingesetzt, um Atome einzufangen und zu kühlen. Doch erst seit rund fünf Jahren nutzen die Wissenschaftler den Strahlungsdruck, um mechanische Schwingungen auf der Mikro- oder gar Nanoskala zu steuern. Diese Experimente mündeten in die Etablierung eines neuen Forschungsgebietes: der Resonator-Optomechanik, die die Photonik mit der Mikro- und Nanomechanik vereinigt. Der üblicherweise geringe Strahlungsdruck wird in einem optomechanischen Mikroresonator erheblich verstärkt und kann, indem er das Licht an die mechanischen Schwingungen koppelt, die Wände des Resonators verformen. Um die optische Durchlässigkeit des Toroids ein- bzw. auszuschalten, wird ein zweiter Laser, dessen Frequenz leicht gegen die des Signallasers verschoben ist, angekoppelt. Die Präsenz beider Laser führt zu einer Modulation der Lichtkraft bei einer Eigenfrequenz des Toroids, so dass dieser anfängt zu schwingen. Unter diesen Bedingungen verhindert ein optomechanischer Interferenzeffekt, dass das Licht des Signallasers in den Resonator gekoppelt wird. Dadurch kann der Signalstrahl den optomechanischen Schalter letztlich ungehindert passieren.

Lange Zeit konnte dieser Effekt nicht nachgewiesen werden, obwohl „wir schon seit mehr als zwei Jahren wissen, dass dieses Phänomen auftreten müsste“, meint Dr. Schließer, der dieses Verhalten schon früh aus theoretischen Modellen ableitete. „Sobald wir wussten, in welchem Frequenzbereich wir suchen müssen, haben wir den Effekt direkt gefunden“, sagt Stefan Weis, einer der Hauptautoren der Publikation. In den nachfolgenden Messungen „war die Übereinstimmung von Theorie und Experiment wirklich bemerkenswert“, fügt Dr. Deléglise hinzu.

Im Gegensatz zu der bei Atomen auftretenden EIT beruht diese neue Form der induzierten Transparenz nicht auf natürlichen Resonanzen. Sie könnte daher auf bislang unzugängliche Wellenlängenbereiche angewandt werden wie etwa dem für die Telekommunikation wichtigen Frequenzfenster im Nahen Infrarot. Mit Standardtechniken aus der mikro- und nanoskaligen Chipfabrikation gestatten optomechanische Systeme eine fast unbegrenzte Freiheit im Design. Außerdem lässt sich schon mit einem einzigen optomechanischen Element ein nahezu 100%iger Ein-Aus-Kontrast erzielen, was im atomaren Fall meist nicht möglich ist.

Der neue, von seinen Entdeckern „OMIT“ (optomechanisch induzierte Transparenz) getaufte Effekt kann die Photonik um eine Reihe von Funktionalitäten bereichern. Zukünftige auf OMIT beruhende Entwicklungen könnten die Umwandlung eines Photonenstroms in mechanische Anregungen – Phononen – ermöglichen. Eine solche Umwandlung von Radiofrequenzsignalen in mechanische Schwingungen wird zum Beispiel heute in Mobilfunkempfängern zur Schmalband-Filterung verwendet. Dieses Prinzip könnte genauso gut auf optische Signale ausgedehnt werden. Darüber hinaus könnten mit OMIT neuartige optische Zwischenspeicher verwirklicht werden, in denen optische Information bis zu mehrere Sekunden lang gehalten werden kann.

Doch auch die Grundlagenforschung kann von dieser Entdeckung profitieren: Weltweit versuchen Forschergruppen, optomechanische Systeme auf Quantenniveau zu steuern. Eine Kopplung, die sich ein- und ausschalten lässt, könnte sich als wichtige Schnittstelle in hybriden Quantensystemen erweisen.Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:
S. Weis, R. Rivière, S. Deléglise, E. Gavartin, O. Arcizet, A. Schliesser, T.J. Kippenberg
"Optomechanically induced transparency"
Science (Science Express, November 11, 2010)
Kontakt:
http://www.mpq.mpg.de/k-lab/
Prof. Dr. Tobias Kippenberg
Max-Planck-Institut für Quantenoptik und
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Tel.: +41 - 79 / 5350 016
E-Mail: tobias.kippenberg@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 - 89 / 32905 - 213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/k-lab/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern
22.03.2017 | Universität Basel

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: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen