Exotische Quantenzustände aus Licht

  • 14. August 2017

Erstmals optische Töpfe für ein Super-Photon erzeugt.

Forschern der Uni Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensats fließt. Die Her­stel­lung solcher sehr verlust­armer Struk­turen für Licht ist eine Voraus­setzung für komplexe Schalt­kreise für Licht, beispiels­weise für die Quanten­infor­mations­ver­arbei­tung einer neuen Computer­generation.

Quantentoepfchen

Abb.: Die künstlerische Grafik zeigt, wie mit einem externen Laser­strahl (grün) durch Auf­heizung Potenzial­töpfchen für das Licht in den Mikro­resonator geschrieben werden. (Bild: D. Dung, U. Bonn)

In der Versuchsanordnung des Teams wurde ein Laserstrahl blitz­schnell zwischen zwei Spiegeln hin- und herge­worfen. Dazwischen befand sich ein Farb­stoff, der das Laser­licht soweit herunter­kühlte, dass aus den einzelnen Photonen ein Bose-Einstein-Kondensat entstand. „Die Besonder­heit ist, dass wir eine Art optischer Töpfchen in unter­schied­lichen Formen gebaut haben, in die das Bose-Einstein-Kondensat hinein­fließen konnte“, berichtet Team­leiter Martin Weitz.

Hierfür nutzten die Forscher einen Trick: Sie mischten dem Farb­stoff zwischen den Spiegeln ein Polymer bei, das seinen Brechungs­index in Abhän­gig­keit von der Tempe­ratur änderte. So änderte sich für das Licht die Weg­strecke zwischen den Spiegeln, so dass bei Auf­heizung längere Licht­wellen­längen zwischen die Spiegel passten. Das Ausmaß des Licht­wegs zwischen den Spiegeln ließ sich vari­ieren, indem das Polymer über eine hauch­dünne Heiz­schicht aufge­wärmt werden konnte.

„Mit Hilfe unterschiedlicher Temperaturen konnten wir unterschied­liche optische Ein­dellungen erzeugen“, erläutert Weitz. Dabei verformte sich die Geo­metrie des Spiegels nur schein­bar, es kam viel­mehr an einer bestimmten Stelle zur Ände­rung des Brechungs­index des Polymers – das hatte aber die gleiche Wirkung wie eine Hohl­form. In dieses schein­bare Töpfchen floss ein Teil des Super­photons hinein. Auf diese Weise konnten die Wissen­schaftler mit ihrer Apparatur unter­schied­liche, sehr verlust­arme Muster erzeugen, die das photo­nische Bose-Einstein-Kondensat einfingen.

Im Detail untersuchte das Forscherteam, gesteuert über die Tempe­ratur des Polymers, die Aus­bildung zweier benach­barter Töpfchen. Wenn das Licht in beiden optischen Hohl­formen auf einem ähn­lichen Energie­niveau verharrte, floss das Super­photon von dem einen Töpfchen in das benach­barte. „Es handelte sich dabei um eine Vorstufe für optische Quanten­schalt­kreise“, hebt Weitz hervor. „Viel­leicht lassen sich mit diesem Versuchs­aufbau auch komplexe Anord­nungen her­stellen, bei denen es im Zusam­men­spiel mit einer in geeig­neten Materi­alien mög­lichen Photonen­wechsel­wirkung zu einer Quanten­ver­schrän­kung kommt.“ Das wäre wiederum die Voraus­setzung für ein neues Ver­fahren der Quanten­kommu­ni­kation und Quanten­computer. „Doch das ist noch Zukunfts­musik“, so Weitz. Die Erkennt­nisse des Forscher­teams lassen sich abseh­bar auch für die Weiter­ent­wick­lung von Lasern – zum Beispiel für hoch­präzise Schweiß­arbeiten – nutzen.

U. Bonn / RK

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