Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein einzelnes Atom vermittelt starke Wechselwirkungen zwischen Lichtquanten

28.06.2018

Physiker am MPQ in Garching beobachten in einem Atom-Resonator-System starke Wechselwirkungen zwischen verschiedenfarbigen Photonen.

Wer wäre nicht gerne im Besitz eines Lichtschwerts? Diese aus der Science-Fiction stammende Idee mag uns geradezu begeistern, doch ihre technische Umsetzung ist noch in weiter Ferne. Denn Lichtquanten – sogenannte Photonen – treten nicht miteinander in Wechselwirkung. Schon im Alltag machen wir die Erfahrung, dass sich zwei Lichtstrahlen ungehindert kreuzen können, egal, ob es sich bei ihren Quellen um traditionelle Leuchten oder um Laser handelt.


Doktorand Nicolas Tolazzi vor dem Experiment, in der Hand ein Spielzeug-Lichtschwert.

Foto: MPQ, Abt. Quantendynamik

Eben diese Eigenschaft macht Photonen zu geeigneten Trägern von Quanteninformation für Quantenkommunikation und Quantencomputer. Für die Verarbeitung von Quanteninformation sind allerdings kontrollierte Wechselwirkungen zwischen den Photonen an sogenannten Quantenknoten erforderlich, welche die Rechenschritte ausführen.

Physiker der Abteilung Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben jetzt diese kontrollierte Wechselwirkung zwischen verschiedenfarbigen Lichtstrahlen auf dem Level einzelner Photonen nachgewiesen. Mit Hilfe eines in einem optischen Resonator gespeicherten Atoms beobachteten sie zwei Bereiche, in denen sich die Lichtfelder entweder gegenseitig blockieren oder das System gemeinsam passieren. Eine unmittelbare Anwendung dieses Effekts ist, wie die Wissenschaftler zeigten, ein optischer Schalter, bei dem ein Strahl den anderen ausschalten kann.

Trotz ihres Teilchencharakters verfügen Photonen weder über eine Masse noch über eine elektrische Ladung und können demzufolge nicht miteinander „sprechen“. Mit elektrisch geladenen Materieteilchen können sie jedoch aufgrund ihres elektrischen Feldes in Wechselwirkung treten. Wenn diese nichtlinear und ausreichend stark ist, kann sie ihrerseits genutzt werden, um eine Wechselwirkung zwischen Lichtquanten zu vermitteln.

Der wahrscheinlich stärkste Effekt lässt sich erzielen, wenn das Atom nur zwei Energieniveaus besitzt, den Grundzustand und einen angeregten. Denn dann führt die Aufnahme eines ersten Photons dazu, dass das Atom zu einem Emitter wird. D.h., die Transmission eines Photons hängt davon ab, ob zuvor ein anderes da gewesen ist.

Die große Herausforderung bestand in den vergangenen 30 Jahren darin, die entsprechende Wechselwirkung, die bei einem einzelnen Atom im freien Raum vernachlässigbar ist, ausreichend groß zu machen. Befindet sich das Atom dagegen zwischen zwei hoch-reflektierenden Spiegeln, dann kommt das eingestrahlte Photon immer wieder am Atom vorbei und ist gleichzeitig eingeschlossen in einem kleinen Volumen in dessen nächster Umgebung. Diese Technik führt zu einer starken Wechselwirkung auf dem Einzel-Photonen-Level. Solange sich diese aber auf gleichartige Photonen aus einem Laserstrahl beschränkte, war der Effekt vor allem an der Photonen-Statistik zu erkennen, Beispiele dafür sind die Einzel-Photon und die Zwei-Photonen-Blockade.

Strahlt man in diesen aus zwei Spiegeln geformten Resonator jedoch ein zweites Lichtfeld mit einer anderen Wellenlänge ein, dann lässt sich, bei einer geeigneten Energielevel-Struktur, eine Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenfarbigen Photonen realisieren. Christoph Hamsen und Kollegen gelang es, die technischen Herausforderungen zu meistern und ein sogenanntes N-System zu verwirklichen, an dem sie neuartige Effekte der gegenseitigen Blockade der Photonen bzw. ihres nur gemeinsam möglichen Durchgangs beobachteten. Im Falle der Blockade arbeitete das System wie ein optischer Schalter, bei dem jedes Lichtfeld das andere ein- oder ausschalten kann.

Diese Effekte beruhen auf der neuartigen Energielevel-Struktur des Systems, das sich aus der starken Kopplung von zwei Lichtfeldern und dem Atom ergibt. In diesem Level-Schema korrespondiert jeder einzeln anregbare Energiezustand mit einer spezifischen Kombination der Photonenzahlen in den beiden Strahlen.

Während also Lichtschwerter weiterhin Science-Fiction bleiben, weist das neue System kohärente Wechselwirkung zwischen Photonen auf. Sein doppelt nicht-lineares Niveauschema ebnet den Weg zu nicht-linearer Quanten-Sensorik, bei der die Zahl der Photonen in dem einen Strahl ein Maß für die Zahl der Photonen in dem anderen Strahl ist.

Originalveröffentlichung:

Christoph Hamsen, Karl Nicolas Tolazzi, Tatjana Wilk, and Gerhard Rempe
Strong coupling between photons of two light fields mediated by one atom
Nature Physics, http://dx.doi.org/10.1038/s41567-018-0181-1

Kontakt:
Dr. Tatjana Wilk
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 (0)89 / 3290 5670
E-Mail: tatjana.wilk@mpq.mpg.de

Nicolas Tolazzi
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0)89 / 3290 5296
E-Mail: nicolas.tolazzi@mpq.mpg.de

Prof. Dr. Gerhard Rempe
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0)89 / 3290 5701
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 3D-gedruckte Optik
20.11.2019 | Technische Universität Braunschweig

nachricht Eine Fernsteuerung für alles Kleine
19.11.2019 | Technische Universität Wien

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: With artificial intelligence to a better wood product

Empa scientist Mark Schubert and his team are using the many opportunities offered by machine learning for wood technology applications. Together with Swiss Wood Solutions, Schubert develops a digital wood-selection- and processing strategy that uses artificial intelligence.

Wood is a natural material that is lightweight and sustainable, with excellent physical properties, which make it an excellent choice for constructing a wide...

Im Focus: Eine Fernsteuerung für alles Kleine

Atome, Moleküle oder sogar lebende Zellen lassen sich mit Lichtstrahlen manipulieren. An der TU Wien entwickelte man eine Methode, die solche „optischen Pinzetten“ revolutionieren soll.

Sie erinnern ein bisschen an den „Traktorstrahl“ aus Star Trek: Spezielle Lichtstrahlen werden heute dafür verwendet, Moleküle oder kleine biologische Partikel...

Im Focus: Atome hüpfen nicht gerne Seil

Nanooptische Fallen sind ein vielversprechender Baustein für Quantentechnologien. Forscher aus Österreich und Deutschland haben nun ein wichtiges Hindernis für deren praktischen Einsatz aus dem Weg geräumt. Sie konnten zeigen, dass eine besondere Form von mechanischen Vibrationen gefangene Teilchen in kürzester Zeit aufheizt und aus der Falle stößt.

Mit der Kontrolle einzelner Atome können Quanteneigenschaften erforscht und für technologische Anwendungen nutzbar gemacht werden. Seit rund zehn Jahren...

Im Focus: Der direkte Weg zur Phosphorverbindung: Regensburger Chemiker entwickeln Katalysemethode

Wissenschaftler finden effizientere und umweltfreundlichere Methode, um Produkte ohne Zwischenstufen aus weißem Phosphor herzustellen.

Pflanzenschutzmittel, Dünger, Extraktions- oder Schmiermittel – Phosphorverbindungen sind aus vielen Mitteln für den Alltag und die Industrie nicht...

Im Focus: Atoms don't like jumping rope

Nanooptical traps are a promising building block for quantum technologies. Austrian and German scientists have now removed an important obstacle to their practical use. They were able to show that a special form of mechanical vibration heats trapped particles in a very short time and knocks them out of the trap.

By controlling individual atoms, quantum properties can be investigated and made usable for technological applications. For about ten years, physicists have...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage 2020: „Mach es einfach!“

18.11.2019 | Veranstaltungen

Humanoide Roboter in Aktion erleben

18.11.2019 | Veranstaltungen

1. Internationale Konferenz zu Agrophotovoltaik im August 2020

15.11.2019 | Veranstaltungen

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

Mit alten Buchenwäldern in Europa regionale Entwicklung stärken

20.11.2019 | Agrar- Forstwissenschaften

Zelltod oder Krebswachstum: eine Frage des Zusammenhalts!

20.11.2019 | Medizin Gesundheit

Einblick in die dunkle Materie des Genoms

20.11.2019 | Biowissenschaften Chemie

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