Gequetschtes Licht aus einem Atom

Ein Atom zwischen zwei Spiegeln liefert tiefere Einblicke in die Wechselwirkung von Licht und Materie.

Physiker um Alexei Ourjoumtsev des Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garchingen haben ein Atom beobachtet, das gewissermaßen in passenden Photonen badet und sich darin wie eine Quantenantenne verhält, die Lichtwellen sendet. Dabei nimmt ein Rubidiumatom, das in einem optischen Resonator gefangen ist, jeweils zwei Photonen zugleich auf und sendet sie kurz darauf wieder aus. Die Photonen stehen danach in einer engen Quantenbeziehung zueinander: Das Licht ist „gequetscht“. Damit gelang erstmals der Nachweis gequetschten Lichts mit einem einzelnen Atom.

Abb.: Unten fangen Laserstrahlen Rubidiumatome ein und kühlen sie ab. Laserlicht lässt aus dieser Wolke eine kleine Fontäne von einzelnen, ultrakalten Atomen hochfliegen. Jeweils eines wird für einige Millisekunden zwischen zwei Spiegeln gefangen. Die Photonen in dem Resonator wechselwirken intensiv mit dem Atom. (Bild: MPI für Quantenoptik)

Im Allgemeinen haben Absorptions- und Emissionsphotonen keine Verbindung zueinander. Anders sieht das bei einem einzelnen Atom in einer speziellen Umgebung aus. Aufgrund der zeitlichen und räumlichen Ausdehnung der Wellen „spüren“ die absorbierten und emittierten Photonen sich gegenseitig. Den Forschern gelang es, eine solche Umgebung zu schaffen. Zuerst kühlen sie eine Wolke aus Rubidiumatome mit Laserlicht auf wenige Millionstel Grad über den absoluten Temperaturnullpunkt ab. Anschließend kicken sie mit Laserlicht eine kleine Fontäne einzelner Atome aus der Wolke heraus, die nach oben in einen optischen Resonator aus zwei Spiegeln in einem Abstand von etwa einem Zehntel Millimeter fliegen.

Gefangen in dem Resonator wechselwirkt das Atom mit den dortigen Photonen. Dabei ist es wichtig, dass sich nur ganz wenige Photonen in dem Resonator befinden und diese sehr oft Kontakt zu dem Atom haben. Letzteres wird dadurch gewährleistet, dass das Atom etwa zehn bis zwanzig Millisekunden in dem Resonator verharrt. In dieser Zeit können die Photonen ungefähr hunderttausend Mal mit dem Atom wechselwirken. Bei diesem intensiven Kontakt formen zwei Photonen zusammen mit dem Atom ein gemeinsames Objekt, das man sich wie eine Art Molekül vorstellen kann.

Wenn das Atom im Resonator zwei Photonen gleicher Energie absorbiert und wieder emittiert, dann geschieht das auf besondere Weise: Beide Photonen haben jeweils für sich genommen exakt die Energie, die dem Übergang im Atom entspricht. Bei einer „richtigen“ Absorption wäre das also das Doppelte der Energie, die das Atom eigentlich aufnehmen kann. Es würde demnach im Normalfall nur ein Photon absorbieren. Stattdessen gehen die zwei Photonen mit dem Atom kurzzeitig den verschränkten Zustand ein.

Verlässt eines der Photonen durch einen Spiegel den Resonator, können die Wissenschaftler die Welleneigenschaft des Photons messen, genauer das Schwingen seines elektrischen Feldes. Aufgrund des schwachen Signals brauchten die Forscher dazu eine Messzeit von zwei Wochen. Dabei stellten sie fest, dass das ausgesandte Licht „gequetscht“ ist. Diese Eigenschaft verriet ihnen etwas Grundlegendes: Das Atom im Resonator verhielt sich wie eine Art Quantenantenne. Es schwingt wie eine Antenne im elektromagnetischen Feld der beiden Photonen mit – tauscht aber dabei Energie in quantisierten Portionen aus.

Bei dem Experiment ging es den Forschern um die fundamentale Physik. Allerdings könnten die Ergebnisse auch für technische Anwendungen interessant sein. Gelänge es, diese besonderen Photonenpärchen in sogenannten künstlichen Atomen, zum Beispiel aus winzigen Halbleiterstrukturen, herzustellen, ließen sich damit interessante quantenlogische Bauelemente konstruieren.

MPG / MH