Photonen zu Plasmonen
Ultrakalte Atome knapp über Metalloberfläche ermöglichen präzis kontrollierte Licht-Materie-Kopplung.
Einer Forschergruppe um Sebastian Slama vom Physikalischen Institut der Universität Tübingen ist es erstmals gelungen, die Fluoreszenz von ultrakalten Atomen gezielt in sogenannte Oberflächen-Plasmonen zu lenken, also Lichtwellen, die sich auf einer metallischen Oberfläche ausbreiten. Ziel der Quantenforschung sind winzige Systeme, in denen sich etwa die Wechselwirkungen von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Lichtquanten kontrollieren lässt. Aus solchen Systemen ergeben sich viele mögliche Anwendungen, wie zum Beispiel Schalter und Transistoren, die auf einem einzelnen Photon beruhen.
Abb.: Ein Atom nahe einer Metalloberfläche emittiert Photonen sowohl in den freien Raum wie in Oberflächenplasmonen auf dem Metall. (Bild: C. Stehle et al.)
Im Experiment haben die Physiker Rubidiumatome in einer Ultrahochvakuum-Apparatur bis auf eine Temperatur von einem Millionstel Kelvin, dicht über dem absoluten Nullpunkt, abgekühlt und dann gezielt in einen Abstand von wenigen hundert Nanometern an eine Goldoberfläche herangebracht. Die Atome schwebten hierbei frei im Vakuum und waren nur von magnetischen Feldern gehalten. Unter diesen Bedingungen strahlen die Atome Licht bevorzugt in die Oberflächen-Plasmonen ab, wo die Wissenschaftler dann einzelne abgestrahlte Photonen nachgewiesen haben. „Dieser Prozess läuft sehr effizient ab, wir sprechen auch von einer hohen Kooperativität der Atome“, erklärt Sebastian Slama. In den Experimenten habe sich die Licht-Materie-Kopplung zudem einfacher realisieren lassen als bei alternativen Verfahren mit optischen Resonatoren.
„Die neu entwickelte Methode kann künftig genutzt werden, um Quanteninformationen, die im Atom gespeichert wurden, möglichst verlustfrei auszulesen und weiterzuverarbeiten“, sagt der Wissenschaftler. Damit verbindet er die Hoffnung, dass die Konstruktion von Schnittstellen zwischen Quantenspeichern und Quantendatenleitungen – und damit der Bau eines hocheffizienten, neuartigen Computers – in greifbare Nähe rückt.
U. Tübingen / DE
