Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker der Universität Stuttgart nutzen hohle Glasfasern für Quantentechnik der Zukunft

07.07.2014

Eine Photonen-Drehtür bei Raumtemperatur

Für abhörsichere Kommunikation, Datenaustausch zwischen Quantencomputern oder höchstempfindliche Sensoren sind Lichtquellen hilfreich, die fein säuberlich ein Lichtteilchen nach dem anderen aussenden, also wie eine Drehtür für Photonen arbeiten. Diese funktionieren bislang aber nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, was eine technische Nutzung erschwert.


Ein neues System für die Quantenoptik: Hochangeregte Atome in Hohlkernfasern.

Universität Stuttgart / 5. Physikalisches Institut

Physiker des Zentrums für Integrierte Quantenwissenschaft und –technologie (IQST) an der Universität Stuttgart haben nun eine neue mikroskopisch kleine Technologie entwickelt, die eine Photonen-Drehtür sogar bei Raumtemperatur in Aussicht stellt. Dafür nutzten sie hohle Glasfasern. Die Fachzeitschrift Nature Communications berichtete darüber in ihrer Ausgabe vom 19. Juni 2014*.

Ein Alltag ohne Licht? Undenkbar. Glasfasern übertragen Daten, Laserlicht liest BluRay-Discs oder operiert die Augenhornhaut. Dass Licht so vielseitig nutzbar ist, liegt an seiner vielseitigen Natur. Unterschiedliche Lichtquellen erzeugen unterschiedliches Licht.

Die Unterschiede spiegeln sich unter anderem in der Art und Weise wieder, wie Lichtteilchen, so genannte Photonen, die Lichtquelle verlassen. Normale Lampen produzieren „unordentliches“ Licht: Die Photonen kommen nicht als gleichmäßiger Strom, sondern portionsweise heraus. Laserlicht ist schon etwas ordentlicher: der Lichtstrom ist gleichmäßiger, jedoch immer noch mit Portionen aus mehreren Photonen.

Für manche neuartige technische Anwendungen brauchen Physiker noch besser geordnetes Licht: Die Photonen sollen eines nach dem anderen aus der Quelle kommen, ähnlich wie Menschen hinter einer Drehtür. Denn nur so lassen sich die quantenphysikalischen Eigenschaften einzelner Photonen nutzen um zum Beispiel Daten abhörsicher auszutauschen. Zwar gibt es solche Photonen-Drehtüren bereits. Es hapert allerdings noch mit ihrer Anwendbarkeit, da sie das „ordentliche“ Licht nur bei äußerst tiefen Temperaturen produzieren. Die dafür nötigen Apparaturen füllen ganze Labore.

Nun haben Physiker des IQST an der Universität Stuttgart und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichtes in Erlangen einen wichtigen Schritt hin zu einer Drehtür für Photonen getan, die sogar bei Raumtemperatur funktionieren könnte. Der wesentliche Teil ihres Experimentes besteht aus einer hohlen Glasfaser. Die Forscher um Robert Löw wollen einen schon bekannten Effekt nutzen, um die „Photonen-Drehtür“ zu verwirklichen.

Physiker um Sebastian Hofferberth an der Uni Stuttgart haben zuvor bei tiefen Temperaturen folgendes Experiment gemacht. Ein Gas aus Atomen eines bestimmten Elementes absorbiert normalerweise Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge. Beleuchtet man das Medium mit einem zweiten Laser bestimmter Wellenlänge, dem so genannten Kontrolllaser, dann lässt das Gas einen Teil der Photonen des ersten Lasers durch. Das Gas lässt also das Laserlicht wieder ungestört hindurch.

Der Trick hin zu einzelnen Photonen besteht nun darin, mit dem Laserlicht die Atome im Gas zu so genannten Rydberg-Atomen anzuregen. Bei diesen kreist das äußerste Elektron auf einer mehrere Tausendstel Millimeter durchmessenden Bahn um den Atomkern. Rydberg-Atome sind damit 10.000 Mal größer als herkömmliche Atome. Wegen ihrer Größe beeinflussen Rydberg-Atome sich gegenseitig sehr stark. Das hat zur Folge, dass beim Einschalten des Kontrolllasers die Rydberg-Atome deutlich schwächer transparent werden als zuvor die herkömmlichen Atome. Genau gesagt sorgt die Quantenphysik dafür, dass jedes Rydberg-Atom nur ein einziges Photon passieren lässt.

Hier setzen die Stuttgarter Forscher an. Sie wollen den Drehtür-Effekt mit photonischen Kristallfasern, gefüllt mit Atomen, verwirklichen. In diesen speziellen Fasern behält das Laserlicht entlang der gesamten Faserlänge die benötigte hohe Intensität bei. Daher ordnen sich darin sehr viel mehr als nur ein paar Rydberg-Atome als Drehtüren hintereinander an. Die Nutzung der Faser, sind die Physiker überzeugt, erlaubt es auch, den Effekt bei Raumtemperatur zu beobachten. Zwar flitzen dann die Rydberg-Atome in der Faser hin und her und prallen in Bruchteilen einer Sekunde an die Faserwand, was sie eigentlich für den Drehtür-Effekt unbrauchbar macht. Doch die hohe Anzahl der hintereinander in der langen Faser liegenden Rydberg-Atome gleicht diesen Nachteil wieder aus. Viele kurzlebige Rydberg-Atome sind genauso gut wie wenige langlebige, so die Hoffnung.

Eine Sorge konnten die Stuttgarter Forscher allerdings nun mit dieser Arbeit beseitigen: Da der Kanal der Hohlfaser mit 19 Mikrometern nur unwesentlich mehr Durchmesser hat als ein Rydberg-Atom groß ist, könnte seine Wand die Atome stören und den Drehtür-Effekt unterbinden. Nun klärten die Physiker die Frage, ob „freilaufende“ Rydberg-Atome sich anders verhalten als Atome in Käfighaltung. Ergebnis: Sie tun es nicht, die Rydbergatome sehen Ihren Käfig einfach gar nicht, zumindest solange es nicht bis es zu einer Atom-Wand Kollision kommt. Das geschieht zwar relativ schnell, aber die kurze Zeit sollte ausreichen um den Drehtür-Effekt zu verwirklichen.

*Originalpublikation: G. Epple, K. S. Kleinbach, T. G. Euser, N. Y. Joly, T. Pfau, P. St.J. Russell, R. Löw: "Rydberg atoms in hollow-core photonic crystal fibres", Nature Communications 5 4132 (2014)

Weitere Informationen: Robert Löw, Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, Tel. +49 711 685 64954, E-Mail: r.loew@physik.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de

Weitere Berichte zu: Communications Laser Photon Physik Quantenphysik Rydberg-Atom

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht ALMA beginnt Beobachtung der Sonne
18.01.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der erste Blick auf ein einzelnes Protein

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zur Sicherheit: Rettungsautos unterbrechen Radio

18.01.2017 | Verkehr Logistik