Ampel für Photonen

Ampel für Photonen

Pasadena (USA) - Photonen spenden nicht nur Licht oder regen Solarzellen zur Stromproduktion an. Mit ihnen lassen sich auch hervorragend Quantenexperimente und sichere Datenverschlüsselungen durchführen. Nur müssen sie dazu einzeln vorliegen. Neben aufwändigen Ein-Photon-Quellen entwickelten amerikanische Physiker nun einen besonderen Filter. Aufgebaut aus einem optischen Hohlraumresonator lässt er nur einzelne Lichtteilchen mit einer bestimmten Energie hindurch. Für weitere Photonen schaltet diese atomare Ampel quasi auf "Rot", berichten die Forscher im Fachblatt "Nature".

"Die resonante Absorbtion einen Photons blockiert die Absorbtion eines weiteren Lichtteilchen", schreiben Jeff Kimble und seine Kollegen vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena. Herzstück dieser Photonen-Ampel ist eine so genannte Fabry-Perot-Kavität, in der ein Caesium-Atom die Ampelschaltung übernimmt. Strahlt nun Licht ein, wird nur genau ein Photon mit einer bestimmten Wellenlänge (935,6 nm) absorbiert und regt das Valanzeletron des Caesium-Atoms an. Unmittelbar nachfolgende Photonen können diesen Übergang nicht mehr nutzen oder haben nicht die passende Wellenlänge, um das Caesium-Atom in einen höheren Anregungszustand zu versetzen.

Erst nachdem das Valenzelektron wieder auf seine ursprüngliche Bahn zurückfällt und dabei ein entsprechendes Lichtteilchen auf der Rückseite der Kavität freisetzt (Transmission), kann ein weiteres Photon die Resonanzbedingungen erfüllen und absorbiert werden. "Wir konnten unser Experiment auch gepulst betreiben und so eine Quelle für einzelne Photonen quasi auf Nachfrage verwirklichen"; sagt Kimble. Der angeregte Zustand des Caesiumsatoms (Übergang 6S ½ -> 6P 3/2) zeigte dabei eine Lebensdauer von etwa 45 Nanosekunden.

Schon vor knapp zehn Jahren wurde diese Photonen-Ampel in einer theoretischen Arbeit von Physikern der University of California, Santa Barbara, vorgeschlagen (s. Imamoglu, A et al., Literaturhinweise). Es lag nahe, dass die Transmission von Photonen analog zu einer Coulomb-Blockade für Elektronen geregelt werden konnte. Bei Elektronen wirkt ein negativ geladenes Ion abstoßend, so dass nachfolgende Elektronen diese Hürde nicht mehr überwinden können. Jetzt gelang Kimble und Kollegen der experimentelle Beweis, dass ein Hohlraumresonator mit einem Caesium-Atome ebenfalls die Rolle einer solchen blockierenden Hürde für Photonen übernehmen kann.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos:

• Photon blockade in an optical cavity with one trapped atom, K. M. Birnbaum et al., Nature. Vol. 436, S. 87

• California Institute of Technology, Caltech: http://www.caltech.edu
  Arbeitsgruppe Quantenoptik: http://www.its.caltech.edu/~qoptics/

• Informationen zu einer alternativen Ein-Photonen-Quelle (pdf):
  http://www.iota.u-psud.fr/~grangier/FichiersPDF/EPJD18-191.pdf

• Anwendung, Hintergrund Quantenteleportation:
  http://www.cip.physik.uni-muenchen.de/~milq/teleportation/tele1p01.html

Weiterführende Literatur:

• Imamoglu, A., Schmidt, H., Woods, G. & Deutsch, M. Strongly interacting photons in a nonlinear cavity. Phys. Rev. Lett. 79, 1467–-1470 (1997).

• Werner, M. J. & Imamog¯lu, A. Photon-photon interactions in cavity electromagnetically induced transparency. Phys. Rev. A 61, 011801 (1999).

• Kim, J., Bensen, O., Kan, H. & Yamamoto, Y. A single-photon turnstile device. Nature 397, 500-503 (1999).

• Kimble, H. J. Strong interactions of single atoms and photons in cavity QED. Phys. Scr. T76, 127-138 (1998).