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Quantenoptik: Optischer Transistor aus einem Atom

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Mit nur einem einzelnen Atom, gefangen in einem optischen Resonator, lässt sich die Intensität eines Lichtstrahls durch einen anderen Lichtstrahl steuern. Bisher war dieses Experiment nur mit makroskopischen Medien – also um viele Größenordnungen höheren Teilchenzahlen – gelungen.

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Versuchsaufbau | Mit nur einem Atom lässt sich ein Lichtstrahl durch einen anderen steuern. Der Atom-Resonator kann dadurch Photonen speichern, wieder aussenden oder in ihrem Zustand verändern
Das Experiment von Martin Mücke vom Max Planck Institut für Quantenoptik in Garching und seinen Kollegen basiert auf einem optischen Phänomen namens "elektromagnetisch induzierte Transparenz". Unter bestimmten Bedingungen lässt sich ein optisch dichtes, also eigentlich lichtundurchlässiges Medium mit Hilfe von Licht transparent für bestimmte Wellenlängen machen. Auf diese Weise kann die Intensität eines Laserstrahls durch einen anderen Laserstrahl gesteuert werden.

Den Wissenschaftlern um Mücke gelang es nun, diesen Effekt für ein "Medium" aus nur einem einzigen Rubidiumatom aufrechterhalten. Sie sperrten das Teilchen dazu in einen optischen Resonator, in dem hochreflektierende Spiegel – rund 500 Mikrometer voneinander entfernt – die sonst nur sehr schwache Wechselwirkung zwischen Atom und Licht erhöhen.

Dann strahlten sie Laserlicht ein, dessen Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Rubidiumatoms übereinstimmt. Als Folge gelangte so gut wie kein Licht durch den Resonator. Schalteten sie dann einen zweiten Laserstrahl senkrecht dazu ein, ließ sich das System wieder lichtdurchlässig machen.

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Lasertisch im Labor | Den Wissenschaftlern gelang es bereits im Jahr 2009, einen vergleichbaren Transistor aus nur einem Farbstoffmolekül zu bauen.
Den Grad dieser Transparenz kontrollierten die Wissenschaftler dabei über die eingestrahlte Lichtstärke und Frequenz. Auf diese Weise konnten sie die Intensität des ersten Laserstrahls um 20 Prozent verändern. Mücke und Kollegen sind zuversichtlich, dass sich dieser Wert durch einen verfeinerten Aufbau sogar auf 90 Prozent steigern ließe.

Mittels dieser Methode ließe sich beispielsweise die Anzahl der Photonen in einem Lichtstrahl exakt kontrollieren, schreiben die Forscher. Aber auch für die Verarbeitung von Quanteninformation könnten die Ergebnisse einmal interessant werden. "Das System aus Atom und Resonator eignet sich als Knoten für zukünftige Quantennetzwerke", erläutert Teammitglied Stephan Ritter. Photonen ließen sich in dem Atom-Resonator-System abspeichern, wieder emittieren oder in ihrem Zustand verändern.

2009 gelang es Wissenschaftlern bereits, einen optischen Transistor aus einem einzelnen Farbstoffmolekül zu bauen. (mp)
19. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19. KW 2010

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  • Quellen
Mücke, M. et al.: Electromagnetically induced transparency with single atoms in a cavity. In: Nature, 10.1038/nature09093, 2010.

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