Wie man Licht in eine Einbahnstraße zwingt

19. Dezember 2015, 17:46
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An der TU Wien gelang es, ein optisches Element auf der Nanoskala zu erzeugen, das Licht nur in eine Richtung durchlässt

Wien – Wenn sich Licht in eine Richtung ausbreitet, kann es in der Regel auch den umgekehrten Weg nehmen. Forschern an der Technischen Universität (TU) Wien ist es nun gelungen, diese Regel zu brechen: 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 lediglich aus einzelnen Photonen besteht. Eine solche Einbahnstraße soll sich nun auch in integrierten optischen Chips einbauen lassen – ein wichtiger Schritt für die optische Signalverarbeitung.

Als "optische Isolatoren" bezeichnet man Elemente, die Licht in eine Richtung durchlassen und in der anderen Richtung blockieren. "Solche Komponenten gibt es schon lange", sagt Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der TU Wien. "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."

Anwendungen im Nanobereich

Auf den Größenskalen von Nanotechnologie lässt sich ein solches Bauteil mit Faraday-Effekt aber aus technischen Gründen nicht realisieren. Bedarf dafür gäbe es allerdings genug. "Man versucht heute, optische integrierte Schaltkreise zu bauen, mit ähnlichen Funktionen wie man sie aus der Elektronik kennt", so 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.

Die TU-Forscher gehen daher ganz anderen Weg: Sie koppeln Alkali-Atome an das Lichtfeld in ultradünnen Glasfasern. In einem Glasfaserkabel kann sich das Licht in zwei Richtungen ausbreiten – vorwärts und rückwärts. Allerdings gibt es bei Licht noch eine weitere Eigenschaft, die man berücksichtigen muss: Die Schwingungsrichtung der Lichtwelle, auch Polarisation genannt. Durch die Wechselwirkung zwischen der Lichtwelle und der ultradünnen Glasfaser wird ihr Schwingungszustand verändert.

"Die Polarisation dreht sich wie der Rotor eines Helikopters", 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 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", so Rauschenbeutel.

Quantenschalter

Dieser Effekt wurde im Labor an der TU Wien auf zwei verschiedene Arten demonstriert: Zunächst wurden etwa 30 Cäsiumatome entlang der Glasfaser aufgereiht. Dabei misst man eine hohe Transmission von fast 80 Prozent in 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 sogenannten 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", so Rauschenbeutel. "Man kann dieses Atom dann in einen Zustand versetzen, in dem es das Licht sowohl sperrt als auch durchlässt." Damit würden sich ganz neue, spannende Möglichkeiten für die optische Verarbeitung von Quanteninformation ergeben. (red, 19.12.2015)

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