Forschung & Entwicklung

Der leichteste Spiegel der Welt

Ein Spiegel aus einem Metamaterial ist nur wenige hundert Atome dick. Es ist der zudem der leichteste überhaupt vorstellbare Spiegel.

Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) haben zum ersten Mal gezeigt, dass selbst eine einfach strukturierte Schicht aus nur wenigen hundert Atomen schon einen optischen Spiegel bilden kann. Er ist nur wenige zehn Nanometer dick und besteht aus einem neuartigen Metamaterial. Die Atome sind in einem zweidimensionalen optischen Gitter aus interferierenden Laserstrahlen angeordnet. Die Spiegelung darin ist jedoch so stark, dass man sie mit dem bloßen Auge wahrnehmen könnte.

Die identischen Atome sind in einem zweidimensionalen Feld zu einem periodischen Viereckmuster angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Atomen kleiner ist als deren optische Übergangswellenlänge. Beides sind typische und notwendige Merkmale von Metamaterialien. Metamaterialien sind künstlich erschaffene Strukturen mit spezifischen Eigenschaften, die natürlicherweise kaum vorkommen. Sie erhalten ihre Eigenschaften nicht durch ihr Material, sondern durch ihre spezielle Struktur. Die beiden Eigenschaften – das periodische Muster und die Sub-Wellenlänge – sowie ihr gegenseitiges Zusammenspiel bilden den grundlegenden Mechanismus des neuartigen optischen Spiegels: Auf der einen Seite unterdrücken das regelmäßige Muster und die atomaren Abstände in Subwellenlänge ein diffuses Streuen des Lichts und bündeln die Reflexion stattdessen in einen gerichteten und stetigen Lichtstrahl. Auf der anderen Seite sorgt der vergleichsweise nahe aber diskrete Abstand zwischen den Atomen dafür, dass ein einfallendes Photon mehr als einmal zwischen den Atomen hin- und her prallt, bevor es zurückreflektiert wird. Beide Effekte – die unterdrückte Brechung des Lichts und das Hin- und Herfedern der Photonen – führen zu einer sehr starken Reflektion.

Mit einem Durchmesser von ungefähr 7 µm ist der Spiegel selbst viel zu klein, als dass man ihn mit dem bloßen Auge sehen könnte. Der Apparat, in dem der Spiegel gebaut wird, hingegen, ist groß. Ganz im Stile anderer quantenoptischer Experimente zählt er über tausend einzelne optische Komponenten und wiegt in etwa zwei Tonnen. Das neuartige Material wird also kaum Einfluss auf die handelsüblichen Spiegel nehmen, die Menschen im Alltag verwenden. Der wissenschaftliche Einfluss auf der anderen Seite ist jedoch weitaus größer und weitreichender:

“Die Ergebnisse sind für uns sehr aufregend, denn einerseits wurden Photonen-vermittelte Korrelationen zwischen den Atomen, so wie sie für unseren Spiegel eine grundlegende Rolle spielen, in der Quantenoptik oft vernachlässigt. Auf der anderen Seite hat man solche geordneten Arrangements von Atomen, die wir mithilfe von ultrakalten Atomen in optischen Gittern erschaffen, hauptsächlich benutzt, um Modelle im Bereich der kondensierten Materie mithilfe von Quantensystemen zu simulieren. Jetzt zeigt sich, wie leistungsfähig diese Plattform auch für die Erforschung neuer quantenoptischer Phänomene ist,“ erklärt Jun Rui, Wissenschaftler des Teams.

Weitere Forschungen in diese Richtung könnten nun helfen, die Grundlagen von Licht-Materie-Wechselwirkungen weiter aufzuschlüsseln, die Untersuchung der Vielteilchenphysik mit optischen Photonen zu verbessern und effizientere Quantenapparate auf den Weg zu bringen, wie bessere Quantenspeicher oder einen quantenschaltbaren optischen Spiegel.

von mg

Originalveröffentlichung:

[J. Rui et al., A subradiant optical mirror formed by a single structured atomic layer, Nature 583 (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2463-x]

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