Der leichteste Spiegel der Welt

Für gewöhnlich verwendet man bei Spiegeln hoch­polierte Metall­ober­flächen oder speziell beschichtete Gläser, um ihre Leistung bei kleinerem Gewicht zu verbessern. Aber Forscher am MPI für Quanten­optik haben nun zum ersten Mal gezeigt, dass selbst eine einfach strukturierte Schicht aus nur wenigen hundert Atomen schon einen optischen Spiegel bilden kann. Damit ist er der leichteste Spiegel, den man sich überhaupt vorstellen kann. Er ist nur wenige zehn Nanometer dick und damit tausend Mal dünner als ein mensch­liches Haar. Die Spiegelung darin ist jedoch so stark, dass man sie mit dem bloßen Auge wahrnehmen könnte.

Der Spiegel arbeitet mit identischen Atomen, die in einem zwei­dimen­sio­nalen Feld zu einem perio­dischen Viereck­muster angeordnet sind. Dabei ist der Abstand zwischen den Atomen kleiner als deren optische Übergangs­wellen­länge. Beides sind typische und notwendige Merkmale von Meta­materialien, künstlich erschaffene Strukturen mit spezi­fischen Eigen­schaften, die natür­licher­weise kaum vorkommen. Sie erhalten ihre Eigen­schaften nicht durch ihr Material, sondern durch die spezielle Struktur, in der sie angelegt werden. Die beiden Eigen­schaften – das perio­dische Muster und die Subwellen­länge – sowie ihr gegen­seitiges Zusammen­spiel bilden den grund­legenden Mechanismus des neuartigen optischen Spiegels.

Einerseits unterdrücken das regel­mäßige Muster und die atomaren Abstände in Subwellen­länge beide ein diffuses Streuen des Lichts und bündeln die Reflexion statt­dessen in einen gerichteten und stetigen Lichtstrahl. Anderer­seits 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 verstärkten koopera­tiven Antwort an das externe Feld, also einer sehr starken Reflektion.

Mit einem Durchmesser von ungefähr sieben Mikro­metern 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, ist jedoch enorm 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 ist jedoch weit­reichend.

„Die Ergebnisse sind für uns sehr aufregend, denn einerseits wurden photonen­vermittelte Korrela­tionen zwischen den Atomen, so wie sie für unseren Spiegel eine grund­legende Rolle spielen, in der Quanten­optik oft vernach­lässigt“, erläutert Jun Rui vom MPQ. „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.“ 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 Quanten-Apparate auf den Weg zu bringen.

„Viele neue und spannende Möglich­keiten eröffnen sich nun für uns“, ergänzt David Wei vom MPQ. „Zum Beispiel liefert die Arbeit einen faszi­nierenden neuen Ansatz für die Quanten­opto­mechanik – ein wachsendes Feld, das die Quanten­natur des Lichts mit mecha­nischen Mitteln unter­sucht. Unsere Arbeit könnte auch dabei helfen, bessere Quanten­speicher oder einen quanten­schalt­baren optischen Spiegel zu bauen. Beides wären interes­sante und bedeutende Fort­schritte auf dem Weg zur Quanten­infor­ma­tions­über­tragung.“

MPQ / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Rui et al.: A subradiant optical mirror formed by a single structured atomic layer, Nature 583, 369 (2020); DOI: 10.1038/s41586-020-2463-x
• Quanten-Vielteilchensysteme, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching