Nano-Einbahnstraße für Licht

Wenn Licht sich von links nach rechts ausbreiten kann, dann ist normaler­weise auch die umge­kehrte Richtung möglich. Licht­strahlen lassen sich gewöhnlich mit einem einfachen Spiegel bis zu ihrer Quelle in sich zurück­werfen. An der TU Wien wurde nun eine neue Methode entwickelt, mit der man diese Regel brechen kann. Durch Atome, die an dünne Glas­fasern gekoppelt werden, lässt sich eine Einbahn­straße für Licht bauen. So wie eine Diode elektrischen Strom nur in eine Richtung durchlässt, kann das Licht die Glasfaser nur in eine Richtung passieren. Das gilt auch dann noch, wenn das Licht bloß aus einzelnen Photonen besteht. Eine solche Einbahn­straße sollte sich nun auch in inte­grierten optischen Chips einbauen lassen – ein wichtiger Schritt für die optische Signal­verarbeitung.

„Optische Isolatoren“ sind Elemente, die Licht in einer Richtung durch­lassen und in der anderen Richtung blockieren. „Solche Komponenten gibt es schon lange“, sagt Arno Rauschen­beutel von der TU Wien. „Die meisten bisherigen optischen Isolatoren beruhen auf dem Faraday-Effekt: Man legt ein starkes Magnet­feld an ein transpa­rentes Material an, das sich zwischen zwei gegen­einander verdrehten Polarisations­filtern befindet. Die Richtung des Magnet­felds legt dann fest, in welche Richtung Licht diese Anordnung passieren kann.“

Auf den Größenskalen der Nanotechnologie lässt sich ein solches Bauteil mit Faraday-Effekt aber aus tech­nischen Gründen nicht realisieren. Und das ist schade, denn Bedarf dafür gäbe es genug. „Man versucht heute, optische integrierte Schalt­kreise zu bauen, mit ähnlichen Funktionen wie man sie aus der Elektronik kennt“, erklärt Rauschen­beutel. Andere Methoden, die Symmetrie des Lichts zu brechen, funktionieren nur bei sehr hohen Licht­intensitäten – in der Nano­technologie möchte man aber winzige Licht­signale verarbeiten können, bis hin zu Licht­pulsen, die bloß aus einzelnen Photonen bestehen.

Das Team von Rauschenbeutel geht einen ganz anderen Weg: Man koppelt Alkali-Atome an das Lichtfeld in ultra­dünnen Glas­fasern. In einem Glas­faser­kabel kann sich das Licht in zwei Richtungen ausbreiten – vorwärts oder rückwärts. Allerdings gibt es bei Licht noch eine weitere Eigenschaft, die man berück­sichtigen muss: Die Polarisation, also die Schwingungs­richtung der Lichtwelle. Durch die Wechsel­wirkung zwischen der Lichtwelle und der ultra­dünnen Glasfaser wird ihr Schwingungs­zustand verändert. „Die Polarisation dreht sich“, sagt Rauschen­beutel. Die Drehrichtung hängt dabei davon ab, ob das Licht in der Glasfaser vorwärts oder rückwärts läuft. Einmal schwingt das Licht im Uhrzeiger­sinn, einmal dagegen. Ausbreitungs­richtung und Schwingungs­zustand des Lichts sind also fest miteinander verknüpft. Wenn man nun Alkali-Atome richtig präpariert und an die ultra­dünne Glasfaser koppelt, kann man erreichen, dass sie sich bezüglich der beiden Licht-Rotations­richtungen unter­schiedlich verhalten. Das Licht in der Vorwärts­richtung wird von den angekoppelten Atomen nicht beeinflusst. Das Licht in der Rückwärts­richtung allerdings, das sich andersherum dreht, koppelt an die Alkali-Atome an und wird von diesen aus der Glasfaser gestreut.

Dieser Effekt wurde an der TU Wien auf zwei verschiedene Arten demonstriert: Zunächst wurden etwa dreißig Cäsium­atome entlang der Glasfaser aufgereiht. Dabei misst man eine hohe Transmission von fast achtzig Prozentin einer Richtung, in der anderen Richtung lassen die Atome fast zehnmal weniger Licht passieren. In einem zweiten Experiment verwendete man sogar nur ein einziges Rubidium­atom. Hier wurde allerdings das Licht in einem optischen Mikroresonator zwischengespeichert, sodass es für relativ lange Zeit in Kontakt mit dem Atom treten konnte. Auch auf diese Weise lässt sich die Trans­mission mit derselben Effizienz kontrollieren.

„Wenn wir nur ein einziges Atom verwenden, können wir den Prozess noch viel subtiler steuern“, erklärt Rauschen­beutel. „Man kann dieses Atom dann in einen Zustand versetzen, in dem es das Licht sowohl sperrt als auch durchlässt.“ Nach den Regeln der klassischen Physik ist das unmöglich – in der Quanten­physik sind solche Über­lagerungen unterschied­licher Zustände aber erlaubt. Damit würden sich ganz neue, spannende Möglich­keiten für die optische Verarbeitung von Quanten­information ergeben.

TUW / RK