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Rausschmeißer-Atome achten auf Einbahnregelung für Licht

Sogenannte optische Isolatoren, die Licht in einer Richtung durchlassen und in der anderen Richtung blockieren, gibt es schon lange, wie es in einer Aussendung der TU heißt. "Die meisten bisherigen optischen Isolatoren beruhen auf dem sogenannten 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", erklärte Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der TU Wien.

Nicht für Nanometer-Bereich geeignet

Auf den Nanometer-Bereich (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) lasse sich dieses Prinzip aus technischen Gründen allerdings nicht umlegen. Andere Methoden, die symmetrische Ausbreitung des Lichts zu brechen, funktionieren wiederum nur bei hohen Lichtintensitäten. In der Nanotechnologie geht es aber um kleinste Lichtsignale bis hin zu Pulsen, die lediglich aus einzelnen Photonen bestehen.

Anwendungen für eine Nano-Licht-Einbahnstraße würden Forschern und Technikern jedoch einige einfallen. "Man versucht heute, optische integrierte Schaltkreise zu bauen, mit ähnlichen Funktionen wie man sie aus der Elektronik kennt", erklärte Rauschenbeutel.

Die neue Methode, die das Wiener Team nun im Fachjournal "Physical Review X" vorstellte, setzt auf Besonderheiten des Licht-Tanzes durch ultradünne Glaserfasern. Auch dort kann sich Licht in beide Richtungen ausbreiten. In der dünnen Faser erfährt die Schwingungsrichtung (Polarisation) der Lichtwelle allerdings eine Veränderung: "Die Polarisation dreht sich wie der Rotor eines Helikopters", so der Physiker.

Ob sich das Licht im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, hängt davon ab, ob es in der Glasfaser vorwärts oder rückwärts läuft. Dass die Ausbreitungsrichtung und der Schwingungszustand fest miteinander verknüpft sind, machten sich die Wissenschafter zunutze: Sie koppelten speziell präparierte Alkalimetall-Atome an die Glasfaser, die auf die beiden Licht-Rotationsrichtungen unterschiedlich reagieren.

Einbahnstraße in integrierten optischen Chips

Während diese Atome keinen Einfluss auf Licht nehmen, das in Vorwärtsrichtung unterwegs ist, koppelt Licht im Rückwärtstanz an die Alkali-Atome "und wird von diesen aus der Glasfaser gestreut", so Rauschenbeutel. Eine solche Einbahnstraße soll sich nun auch in integrierten optischen Chips einbauen lassen, was neue Wege für die optische Signalverarbeitung eröffne.

Dass das Prinzip funktioniert, zeigten die Wissenschafter in zwei verschiedenen Versuchsaufbauen. In einem Experiment genügte sogar nur ein Atom als Rausschmeißer. Rauschenbeutel: "Wenn wir nur ein einziges Atom verwenden, können wir den Prozess noch viel subtiler steuern. Man kann dieses Atom dann in einen Zustand versetzen, in dem es das Licht sowohl sperrt als auch durchlässt." Dieser paradoxe, mit den seltsamen Regeln der Quantenphysik aber vereinbare Effekt, würde zusätzlich noch neue Optionen für die optische Verarbeitung von Quanteninformation eröffnen.

Service: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.5.041036

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