Kontrollierte Photonenkollision

  • 26. January 2017

Polaritonen zeigen nach Zusammenstößen eine robuste Phasen­ver­schiebung.

Normalerweise stören Photonen einander nicht, wenn sie ein trans­pa­rentes Medium wie Glas durch­queren. Ist die Licht­inten­sität aber hin­rei­chend groß, so treten optisch nicht­lineare Effekte auf, sodass ein inten­siver Licht­strahl die Aus­brei­tung eines anderen Strahls beein­flussen kann. Doch auch für extrem schwache Licht­inten­si­täten, nämlich schon für einzelne Photonen, kommt es zu nicht­linearen Effekten. So verhin­dert ein einzelnes Photon, indem es ein Atom in einen hoch­ange­regten Rydberg-Zustand bringt, die entspre­chende Anre­gung benach­barter Atome: Durch die starke elek­trische Polari­sier­bar­keit im Rydberg-Zustand verstimmt das erste ange­regte Atom die anderen, sodass deren reso­nante Anre­gung blockiert wird.

Photonenkollision

Abb.: In der elliptischen Atomwolke (oben) wird mit einem Sonden­strahl (rot) und einem Kontroll­strahl (blau) zuerst ein ruhendes Rydberg-Polariton (orange) und dann ein bewegtes (grün) erzeugt. Nach der Kolli­sion ver­lassen diese Photonen die Atom­wolke und werden mit einem Detek­tor nach­ge­wiesen. Bei der Kolli­sion tauschen die beiden Polari­tonen ihre Plätze (unten). Dabei erfährt das bewegte Pola­riton ein Phasen­änderung um 90 Grad. (Bild: J. D. Thompson et al. / NPG)

Mit Hilfe solcher Rydberg-Atome haben jetzt Forscher um Mikhail Lukin von der Harvard Univer­sity und Vladan Vuletić vom MIT einzelne Photonen kolli­dieren lassen und die dabei auf­tre­tende Phasen­ver­schiebung der photo­nischen Zustände gemessen. Über­raschender­weise war die Phasen­änderung weit­gehend unab­hängig von den experi­men­tellen Bedin­gungen. Die Photonen­kollision erfolgte somit in kohä­renter Weise.

Bei ihrem Experiment benutzten die Forscher eine dichte, ultra­kalte Wolke von Rubidium-87-Atomen, die sich in einem 0,3 Milli­tesla starken Magnet­feld befand. Längs der Feld­richtung wurde die Wolke von zwei Laser­strahlen durch­quert, einem Sonden­strahl und einem ihm ent­gegen gerich­teten kurz­welli­geren Kontroll­strahl. In der Wolke wurden die Atome durch die Sonden­photonen in einen ange­regten Zustand gebracht, der durch die Kontroll­photonen mit einem bestimmten Rydberg-Zustand gekoppelt wurde. Dadurch entstanden Quasi­teilchen, Rydberg-Polari­tonen, die auf­grund von elektro­magne­tisch indu­zierter Trans­parenz die Wolke durch­queren konnten. Diese Polari­tonen traten im Kolli­sions­experi­ment an die Stelle der nackten Photonen.

Zunächst erzeugten die Forscher mit einem sehr schwachen Sonden­strahl ein einzelnes Rydberg-Polariton. Wurde der Kontroll­strahl abge­schaltet und dadurch die elektro­magne­tisch indu­zierte Trans­parenz aufge­hoben, so konnte sich das Pola­riton nicht weiter bewegen. Seine gesamte Energie steckte nun im Rydberg-Zustand eines Atoms. Mit einem Mikro­wellen­puls wurde das Atom in einen anderen Rydberg-Zustand gebracht, der dann von den übrigen Zuständen ent­koppelt und somit aus dem Spiel war.

Anschließend wurden der Sonden- und der Kontrollstrahl wieder einge­schaltet, sodass sich erneut Rydberg-Polari­tonen durch die Atom­wolke bewegten. Wenn eines der bewegten Polari­tonen mit dem fest­sit­zenden kolli­dierte, so wechsel­wirkten die beiden Quasi­teilchen mit­ein­ander. Dabei tauschten sie ihre Plätze, indem das bewegte Pola­riton zur Ruhe kam und das anfäng­lich ruhende sich in Bewegung setzte. Nach einer Warte­zeit wurde das ruhende Pola­riton mit einem weiteren Mikro­wellen­puls wieder ins Spiel gebracht, sodass es sich eben­falls bewegte.

Die sich bewegenden Polaritonen wurde nach Verlassen der Atom­wolke mit einem Photonen­detektor nach­ge­wiesen. Wenn zwei Photonen mit dem richtigen Zeit­ab­stand beim Detektor ankamen, konnte man sicher sein, dass die entspre­chenden Polari­tonen zusammen­gestoßen waren. Durch ein Inter­ferenz­experi­ment bestimmten die Forscher die Phasen­änderung, die das bewegte Pola­riton beim Zusammen­stoß mit dem ruhenden erlitten hatte. Sie entsprach ziemlich genau dem von der Theorie vorher­ge­sagten Wert. Die Phasen­ände­rung war unab­hängig von Zeit­ver­zö­gerung, mit der das zweite Photon regis­triert wurde.

Da Rydberg-Atome mikrometergroß sind, konnten die kollidieren Rydberg-Polari­tonen über entspre­chend große Entfer­nungen mitein­ander wechsel­wirken. Die Forscher zeigten dies, indem sie zwei paral­lele Sonden­strahlen A und B im Abstand von 5,4 Mikro­meter verwen­deten. Befand sich das ruhende Pola­riton anfangs in Strahl A und das bewegte in Strahl B, so war es nach der Kolli­sion in etwa acht Prozent der Fälle genau umge­kehrt, wie sich aus den Ankunfts­zeiten der Photonen bei den Detek­toren ersehen ließ.

Mit den kontrollierten Photonenkollisionen eröffnen sich neue Möglich­keiten zur Reali­sierung von Quanten­gattern mit defi­nierter Phasen­änderung von 90 oder 180 Grad. Außerdem sind die bei der Kolli­sion auftre­tenden Symme­trien denen ähn­lich, die zu Majorana-Fermionen in ein­dimen­sio­nalen Drähten führen.

Rainer Scharf

RK

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