Forschung & Entwicklung

Einbahnstraße für Licht

In einer Einbahnstraße für Licht kühlen Photonen zu einem Bose-Einstein-Kondensat ab, was dazu führt, dass sich das Licht in optischen Mulden sammelt, aus denen es nicht mehr zurück kann. Dies könnte auch für die Quantenkommunikation der Zukunft interessant sein.

Um einen Lichtstrahl zu teilen, lenkt man ihn üblicherweise auf einen teilweise reflektierenden Spiegel: Ein Teil der Lichts wird dann zurückgeworfen und damit das Spiegelbild erzeugt. Der Rest geht durch den Spiegel hindurch. „Dieser Vorgang ist jedoch umkehrbar, wenn die Versuchsanordnung anders herum aufgebaut wird“, sagt Professor Martin Weitz vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. Werden der reflektierte und der durch den Spiegel hindurchgegangene Anteil des Lichts in die Gegenrichtung geschickt, so lässt sich der ursprüngliche Lichtstrahl rekonstruieren.

Der Physiker untersucht exotische optische Quantenzustände von Licht. Mit seinem Team und Professor Achim Rosch vom Institut für Theoretische Physik der Universität zu Köln suchte Weitz nach einem neuen Verfahren zur Erzeugung optischer Einbahnstraßen durch Abkühlung der Photonen: Das Licht soll sich durch die dann kleinere Energie der Photonen in verschiedenen Mulden sammeln und dadurch unumkehrbar geteilt werden. Hierfür verwendeten die Physiker ein Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen.

Zwischen zwei Spiegeln wird ein Lichtstrahl hin- und hergeworfen. Dabei kollidieren die Photonen mit Farbstoffmolekülen, die sich zwischen den Reflexionsflächen befinden. „Die Photonen nehmen die Temperatur der Farbstofflösung an“, sagt Weitz. „Dabei kühlen sie sich auf Raumtemperatur ab, ohne verloren zu gehen.“

Indem die Physiker die Farbstofflösung mit einem Laser anregen, erhöhen sie die Zahl der Photonen zwischen den Spiegeln. Die starke Konzentration der Photonen bei gleichzeitiger Abkühlung sorgt dafür, dass die einzelnen Photonen zu einem Super-Photon verschmelzen, das auch Bose-Einstein-Kondensat genannt wird.

Das Bonn-Kölner Physikerteam arbeitete nach diesem Prinzip, allerdings war einer der beiden Spiegel nicht durchgehend flach, sondern zwei optische kleine Mulden waren darin ausgebildet. Gerät der Lichtstrahl in eine der Vertiefungen, wird die Distanz und damit die Wellenlänge ein klein wenig länger. Die Photonen verfügen dann über eine geringere Energie. Durch die Farbstoffmoleküle kühlen diese Photonen ab und gehen in einen energieärmeren Zustand in den Mulden über.

Allerdings verhalten sich die Photonen in den Vertiefungen nicht wie Murmeln, die über ein Wellblech rollen. Die Murmeln kullern in die Senken des Wellblechs und bleiben dort durch die „Gipfel“ getrennt liegen. „In unserem Experiment liegen die beiden Vertiefungen so dicht beieinander, dass es zu einer Tunnelkopplung kommt“, berichtet Christian Kurtscheid aus Weitz Team. Dadurch lässt sich nicht mehr zuordnen, welche Photonen sich in welcher Mulde befinden. Die Photonen werden in den beiden Mulden festgehalten und gehen dabei in den niedrigsten Energiezustand des Systems über. Dadurch wird das Licht unumkehrbar aufgespalten, wobei die Lichtwellen in unterschiedlichen Mulden im Gleichschritt bleiben.

Die Wissenschaftler hoffen, dass sich mit dieser Versuchsanordnung noch deutlich komplexere Quantenzustände herstellen lassen, die die Erzeugung verschränkter photonischer Mehrteilchenzustände erlauben. „Auf diese Weise könnten Quantencomputer vielleicht einmal miteinander kommunizieren und eine Art Quanteninternet bilden“, blickt Weitz in die Zukunft.

von mn

Originalveröffentlichung:

[C. Kurtscheid, D. Dung, E. Busley, F. Vewinger, A. Rosch, M. Weitz, Thermally Condensing Photons into a Coherently Split State of Light, Science 366 (2019), DOI: 10.1126/science.aay1334]

www.uni-bonn.de

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