Kohärente Kontrolle von harten Röntgenphotonen
Russisch-amerikanische Forschergruppe präsentiert neues Verfahren für Hochenergie-Quantenoptik.
Eine russisch-US-amerikanische Forschergruppe hat eine neue Methode entwickelt, um harte Röntgen- bzw. weiche Gammastrahlung kohärent zu manipulieren. Auf diese Weise werden quantenoptische Experimente im Energiebereich von zehn bis 100 Kiloelektronenvolt möglich, die sich so bisher nur mit Mikrowellen oder optischen Photonen durchführen ließen. Hochenergetische Photonen bieten hier eine Reihe von Vorteilen: eine praktisch hundertprozentige Detektoreffizienz bei minimalem Hintergrund, räumliche Auflösungen im Nanometerbereich oder besser, eine hohe Eindringtiefe in optisch undurchsichtige Materialien und eine erheblich größere Informationsdichte. Neben schon für sich äußerst interessanten quantenphysikalischen Experimenten sind auch Anwendungen in den Bereichen Quantenkryptografie, Quantenkommunikation und Quantenrechnen denkbar.
Abb.: Versuchsaufbau des Proof-of-Principle-Experiments für kohärente Wellenformkontrolle (Bild: F. Vagizov et al. / NPG)
Die Versuche der russisch-amerikanischen Physikerkollaboration basierten auf der Wechselwirkung von Gammaquanten aus einer schwach radioaktiven Co-56-Quelle mit Fe-57-Kernen in einer Edelstahlprobe. Dabei machten sie sich zwei günstige Effekte zunutze: Zum einen weisen dank des Mößbauer-Effekts die interessierenden Fe-57-Kernniveaus selbst bei Raumtemperatur extrem schmale Linienbreiten auf. Zum anderen emittieren schwach radioaktive Quellen Einzelphotonensignale mit diskreter Energie.
Der mit Fe-57 angereicherte, optisch dichte, rückstoßfreie Stahlabsorber wurde bei den Proof-of-Principle-Experimenten in Vibration versetzt. Dies führt aufgrund des Doppler-Effets zu einer periodischen Modulation der Übergangsfrequenzen zwischen den zwei interessierenden Kernniveaus und transformiert die quasi monochromatische einfallende Strahlung in eine aus dem Absorber tretende Strahlung mit Frequenzkamm-Spektrum. Gleichzeitig können die Experimentatoren die Wellenform des Ausgangssignals gezielt beeinflussen. Beispielsweise generierten sie aus dem einlaufenden Einzelphoton eine abklingende Folge von ultrakurzen Pulsen, die um eine Größenordnung kürzer waren als die Zerfallszeit des angeregten Kernzustands. In einem weiteren Experiment teilten sie das einfallende Gammaquant in zwei Pulse auf, wodurch sie erstmals ein zeitliches Qubit in diesem Frequenzbereich realisieren konnten.
Der experimentelle Aufbau ist die derzeit einzige Tabletop-Quelle von ultrakurzen Gammapulsen. Die minimale Pulslänge liegt zurzeit bei etwa 100 Pikosekunden, die Wiederholrate kann man im Mega- und Gigahertzbereich gezielt einstellen. Auch wenn Synchrotronstrahlung an Großanlagen bessere Werte bei Pulsdauer und Photonenfluss zeigen, hat dieser Aufbau zwei Besonderheiten, die auch größere Experimente derzeit nicht bieten können: einerseits exklusive spektrale Eigenschaften, d. h. über einen großen Spektralbereich eine extrem schmale Bandbreite jeder einzelnen Komponente, und andererseits die bereits angesprochene Kontrolle über die Wellenform der ausgehenden Pulse. Gerade dies ermöglicht neuartige Experimente zur Wechselwirkung einzelner Photonen mit Ensembles von Atomkernen sowie zur Quantenkommunikationsverarbeitung.
Matthias Delbrück
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