Photonenkäfig verhindert konstruktive Überlagerung

  • 15. January 2015

Erstmals Licht-Materie-Wechselwirkung an zwei Atomen beobachtet.

Wenn zwei Kinder im Meer planschen, schaukeln sich durch konstruktive Überlagerung hohe Wasserwellen auf. Anders in einem Experiment in der mikroskopischen Welt. Forscher der Uni Bonn setzten mit Hilfe eines Laserstrahls Lichtwellen aus zwei Cäsium-Atomen frei, die an einander gegenüberliegenden Spiegeln reflektiert wurden. Wie sich zeigte, verhindert diese Versuchsanordnung das Aufschaukeln hoher Lichtwellen. Die Wissenschaftler beobachteten damit erstmals experimentell den fundamentalsten Fall von Licht-Materie-Wechselwirkung an zwei Atomen.

Rayleigh-Experiment

Abb.: Die Messapparatur im Labor – René Reimann, Tobias Macha und Dieter Meschede bei der Arbeit an ihrem Experiment. (Bild: V. Lannert, U Bonn)

Die Wissenschaftler schlossen bei dem Experiment zwei schwebende Cäsium-Atome in einen Lichtkäfig für Photonen ein. Die beiden Atome wurden nun kontinuierlich mit einem Laserstrahl beschienen. Die Atome streuten das Laserlicht ähnlich wie Staub in der Luft einen Sonnenstrahl. Die gestreuten Lichtwellen überlagerten sich und wurden an zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln auf die Atome zurückgeworfen. „Dass sich zwei Atome in einem solchen Käfig anders verhalten würden als einziges, das haben wir erwartet“, sagt Team-Mitglied René Reimann. Doch es kommt nicht zum Aufschaukeln, sondern die Rückkopplung verhindert im Gegenteil das Aufschaukeln hoher Lichtwellen.

Man kann die überraschende Situation der beiden Atome im Lichtkäfig veranschaulichen, wenn man die tobenden Kinder nicht ins Meer, sondern in ein Planschbecken setzt. Hier verursachen die Kinder Wasserwellen, die teilweise vom Beckenrand zurückgeworfen und dann von den zum Rand laufenden Wellen ausgelöscht werden. „Wegen dieser Rückkopplung erzeugen zwei Kinder im günstigsten Fall kaum höhere Wellen als ein einziges“, erläutert Reimann. Allerdings können die Kleinen im Planschbecken die Höhe der Wasserwellen beeinflussen, indem sie den Abstand zwischen sich variieren.

Ähnlich bei den zwei Cäsium-Atomen im Experiment: Selbst unter günstigsten Bedingungen, wenn sich die Lichtwellen der beiden Atome konstruktiv überlagern, konnten die Forscher kaum mehr Photonen zählen als bei einem einzelnen Atom. Allerdings lassen sich durch deutliche Veränderungen in der Höhe der überlagerten Lichtwellen minimale Distanzunterschiede der im Lichtkäfig schwebenden Cäsium-Atome zueinander nachvollziehen. „Das war bislang nicht möglich und eröffnet neue Einblicke und Experimentiermöglichkeiten für die Licht-Atom-Wechselwirkung von Zwei-Atom-Systemen“, sagt Reimann. Diese neuen Möglichkeiten können unter anderem die Entwicklung zukunftsweisender Technologien, wie zum Beispiel Quantenspeicher und Quantennetzwerke für Telekommunikations- und Rechenzwecke, unterstützen.

FWU / RK

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