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Sonntag, 24.07.2016
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„Molekül“ aus Atom und Photon

Physiker erzeugen erstmals ultrastarke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Die Kopplung von Atomen mit Lichtteilchen gilt als Schlüsselprozess auf dem Weg zum Quantencomputer. Bisher gelang dies jedoch nur bei Systemen aus einem Atom und einem Photon. Jetzt haben Forscher erstmals eine extrem starke Wechselwirkung zwischen einem Mikrowellen-Photon und den Atomen eines nanostrukturierten Schaltkreises erzielt. Wie sie in „Nature Physics“ berichten, verhält sich die Kombination fast wie ein Molekül aus Atom und Photon und bewegt sich damit jenseits aller bisherigen Theorien.
Darstellung der Wechselwirkung eines supraleitenden Quantenschaltkreises mit einem Mikrowellenphoton.

Darstellung der Wechselwirkung eines supraleitenden Quantenschaltkreises mit einem Mikrowellenphoton.

Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist einer der fundamentalsten Prozesse der Physik. Ob sich unser Auto im Sommer aufgrund der Absorption von Lichtquanten in einen Backofen verwandelt, ob Solarzellen aus Licht Strom gewinnen oder Leuchtdioden Strom in Licht umwandeln, überall in unserem täglichen Leben begegnen wir Auswirkungen dieser Prozesse. Auch für die Entwicklung der so genannten Quanten-Computer ist das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Lichtteilchen, Photonen, und Atomen entscheidend.

Vom Einzelatom zum Schaltkreis


Das einfachste System zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie besteht aus einem so genannten Hohlraum-Resonator, in dem genau ein Lichtteilchen, ein Photon, und ein Atom eingesperrt sind (Cavity quantum electrodynamics, cavity QED). Die Experimente sind hierbei extrem aufwändig, da die Wechselwirkung sehr schwach ist. Eine sehr viel stärkere Wechselwirkung ließe sich mit nanostrukturierten Schaltkreisen erzielen, in denen bei Temperaturen knapp über dem absoluten
Nullpunkt Metalle wie Aluminium supraleitend werden (circuit QED).

Richtig aufgebaut verhalten sich die vielen Milliarden Atome der nur wenige Nanometer dicken Leiterbahnen des Schaltkreises so wie ein einziges künstliches Atom und gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik. Im einfachsten Fall erhält man so ein System mit zwei Energiezuständen, ein so genanntes Quanten-Bit oder Qbit. Die Kopplung solcher Systeme mit Mikrowellen-Resonatoren hat sich zu einem rasch wachsenden neuen Forschungsgebiet entwickelt, da Wissenschaftler die Nano-Schaltkreise anders als bei cavity QED-Systemen in weiten Bereichen gezielt maßschneidern können.


Zehnmal stärkere Wechselwirkung


Physiker der Technischen Universität München (TUM), des Walther-Meißner-Instituts für Tieftemperaturforschung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (WMI) und der Universität Augsburg haben nun zusammen mit Partnern aus Spanien eine ultrastarke Wechselwirkung von Mikrowellen-Photonen mit den Atomen eines solchen nanostrukturierten Schaltkreises realisiert.

Für ihre Messungen fingen die Wissenschaftler das Photon in einer speziellen Box ein, einem Resonator. Dieser besteht aus einer supraleitenden Niob-Leiterbahn, die an beiden Enden mit für Mikrowellen sehr gut reflektierenden „Spiegeln“ ausgestattet ist. In diesem Resonator wird das künstliche, aus einem Aluminium-Schaltkreis bestehende Atom so platziert, dass es mit dem Photon optimal wechselwirken kann. Die ultrastarken Wechselwirkungen erzielten die Forscher, indem sie ein weiteres supraleitendes Bauteil in ihren Schaltkreis einfügten, einen so genannten Josephson-Kontakt.

Die im Experiment gemessene Wechselwirkungsstärke erreichte bis zu zwölf Prozent der Resonatorfrequenz. Sie ist damit zehnmal stärker als bisher in circuit QED Systemen gemessene Wechselwirkungen und viele tausendmal stärker als die in echten Hohlraum-Resonatoren messbaren Effekte.

Effekte jenseits der bisherigen Theorie


Doch mit dem Erfolg schufen die Wissenschaftler auch ein neues Problem: Bisher beschrieb die schon 1963 entwickelte Jaynes-Cummings-Theorie alle beobachteten Effekte gut. Im Gebiet der ultrastarken Wechselwirkungen scheint sie jedoch nicht mehr zu gelten. „Die Spektren sehen so aus, als hätten wir es hier mit einem völlig neuen Objekt zu tun”, sagt Professor Gross. „Die Kopplung ist so stark, dass das Atom-Photon-Paar als eine neue Einheit betrachtet werden muss, eine Art Molekül aus einem Atom und einem Photon.“

Dies genauer zu untersuchen, wird Experimentalphysiker und Theoretiker noch eine Weile beschäftigen. Experimentell in diesen Bereich vorstoßen zu können, eröffnet den Wissenschaftlern aber jetzt schon eine Vielzahl neuer experimenteller Möglichkeiten. Die gezielte Manipulation solcher Paare aus Atom und Photon könnte der Schlüssel zur Quanten-basierten Informationsverarbeitung sein, den so genannten Quanten-Computern, die den heutigen Computern haushoch überlegen wären.
(Technische Universität München, 30.07.2010 - NPO)