Atom in der Nanofalle

Befindet sich ein Atom in einen Hohlraumresonator, der auf die atomare Anregungsfrequenz abgestimmt ist, so kann es „dieselben“ Photonen immer wieder absorbieren und abstrahlen. Dadurch verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und es treten neuartige quantenoptische Phänomene auf, wie der Nobelpreisträger Serge Haroche zeigen konnte. Jetzt ist es Forschern in Harvard erstmals gelungen, einzelne Atome von außen an die nanometergroßen Hohlräume in einem photonischen Kristall zu koppeln.

Mikhail Lukin und seine Mitarbeiter haben einen Weg gefunden, ein einzelnes Rubidiumatom hinreichend nahe an einen photonischen Kristall heranzubringen und dort so genau zu positionieren, dass es mit dem evaneszenten Lichtfeld des Kristalls wechselwirken konnte. Durch die starke Kopplung änderten sich die physikalischen Eigenschaften sowohl des Atoms als auch des photonischen Kristalls. Dies ließe sich für Anwendungen in der nichtlinearen Optik oder in der Quanteninformationsverarbeitung nutzen.

Bei ihrem bahnrechenden Experiment verwendeten die Forscher einen photonischen Kristall aus Siliziumnitrid, der die Form eines 433 Nanometer breiten und 200 Nanometer dicken Balkens hatte. In dem Balken waren insgesamt 34 kreisförmige Löcher in einer Reihe angeordnet, die einen Durchmesser von etwa 140 Nanometern hatten. Dieser Wellenleiter war an einer Glasfaser befestigt, mit der sich die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls untersuchen ließen, wenn sich ein Atom in seiner unmittelbaren Nähe befand.

Aus einer magneto-optischen Falle, die ultrakalte Rubidiumatome enthielt, wurde ein einzelnes Atom in eine optische Pinzette geladen, in der es anfangs starke Schwingungen ausführte. Raman-Seitenband-Kühlung brachte das Atom in radialer Schwingungsrichtung schnell in den Grundzustand, während für Schwingungen in Längsrichtung der Pinzette zunächst noch einige Schwingungsquanten verblieben.

Um das Atom auch in Längsrichtung auf einige Nanometer genau zu positionieren und festzuhalten, griffen Lukin und seine Kollegen zu einem Trick. Nachdem sie das Atom mit Hilfe der optischen Pinzette in die Nähe des photonischen Kristalls gebracht hatten, richteten sie den Lichtstrahl der Pinzette auf die Kristalloberfläche. Dadurch bildete sich im Lichtstrahl eine stehende Welle, mit mehreren hintereinander liegenden Intensitätsmaxima. Solch ein Lichtbauch zog das Atom an und konnte es wie eine „Nanofalle“ festhalten. Wie sich zeigte, landete das Atom mit 94-prozentiger Wahrscheinlichkeit im ersten Intensitätsmaximum, das dem optischen Kristall am nächsten lag.

Der Abstand zwischen Atom und photonischem Kristall verringert sich auf etwa 260 Nanometer (unterhalb von 100 Nanometer würden die van der Waals-Kräfte das Atom aus der Falle herausziehen). Bei dieser geringen Distanz spürte das Atom die evaneszenten Lichtwellen, die seitlich aus dem Wellenleiter heraustraten, wenn in sein freies Ende Licht mit zirka 780 Nanometern Wellenlänge eingestrahlt wurde. Es kam zu einer starken Kopplung zwischen dem Atom und dem Wellenleiter – ohne dass das Atom in einem der Löcher des photonischen Kristalls saß. Die dabei auftretenden Einzelphotonen-Rabi-Oszillationen, mit denen das Atom zwischen Grund- und Anregungszustand wechselte, hatten eine große Frequenz im Bereich von Gigahertz.

Aufgrund der Kopplung mit dem einzelnen Atom änderte der Wellenleiter seine Transmissionseigenschaften. Die Forscher zeigten dies, indem sie durch das freie Ende des Wellenleiters Licht einstrahlten und die Intensität des Lichts maßen, das der Wellenleiter am anderen Ende an die Glasfaser abgab. Wurde die Lichtfrequenz mit einem bestimmten atomaren Übergang in Resonanz gebracht, so verringerte sich die Transmission um etwa zwei Prozent. Das setzte allerdings voraus, dass sich das Atom an einer Stelle befand, wo das evaneszente Lichtfeld des Wellenleiters möglichst stark war. Das Atom entwich nach etwa einer Millisekunde aus der Falle, nachdem es rund sechzig Photonen absorbiert und wieder emittiert hatte.

Mit Hilfe des Atoms konnten die Forscher das evaneszente Lichtfeld des optischen Kristalls mit einer Auflösung unterhalb der Lichtwellenlänge abtasten. Dazu bewegten sie das Atom in möglichst geringem Abstand längs des Wellenleiters, während in den Wellenleiter Licht eingestrahlt wurde, dessen Frequenz mit einem anderen atomaren Übergang in Resonanz war. Die gemessene Lichttransmission zeigte periodische Schwankungen in Abhängigkeit von der Position des Atoms, wie man es für das räumlich periodisch modulierte abklingende Lichtfeld des optischen Kristalls erwartet. Die Forscher erreichten mit ihrer „nichtinvasiven“ Messung des Feldes eine räumliche Auflösung von 190 Nanometern.

Das hybride System aus einem optischen Kristall und einzelnen Atomen hat viele mögliche Anwendungen. So könnte man mehrere Atome, die einzeln in Fallen sitzen, miteinander über einen oder mehrere optische Kristalle wechselwirken lassen und auf diese Weise ein atomares Netzwerk auf einem Chip herstellen. Damit ließen sich Quanteninformation verarbeiten, Quantenvielteilchensysteme simulieren oder neuartige nichtlineare quantenoptische Effekte studieren. Darüber hinaus könnte man auch die mechanischen Schwingungen der optischen Kristalle über abklingende Lichtfelder mit ultrakalten Atomen nahe der Kristalloberfläche abtasten und kontrollieren und dadurch makroskopische Quantenzustände erzeugen. Der Phantasie sind hier fast keine Grenzen gesetzt.

Rainer Scharf

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