Forschern ist es gelungen, mit nur einem Atom erstmals auch das Wellenverhalten von Licht zu beeinflussen. Bisher war dies auf atomarer Ebene nur für dessen Teilcheneigenschaften möglich. Für ihr jetzt in „Nature“ veröffentlichtes Experiment sperrten die Physiker ein Atom in einer Art Mikrospiegelkabinett ein und bestrahlten dieses System mit Laserlicht. Je nach Frequenz veränderte sich dadurch entweder die Phase oder die Amplitude des erzeugten Lichtfelds stärker als für klassische elektromagnetische Strahlung erlaubt.
Die klassische Optik behandelt Licht gewöhnlich als eine Welle. Aber betrachtet man Licht auf fundamentalem Quantenniveau, dann besteht diese Welle aus diskreten Teilchen, auch Photonen genannt. Im Laufe der Zeit haben die Physiker viele Wege gefunden, sowohl die wellenähnlichen als auch die teilchenähnlichen Quanteneigenschaften von Licht zu manipulieren. So lässt sich beispielsweise durch Wechselwirkung der Photonen miteinander entweder die Amplitude oder die Phase der Welle „quetschen“ – die Komponente wird unter das sogenannte Grundrauschen gedrückt. Allerdings sind diese Wechselwirkungen zwischen Photonen in gewöhnlichen optischen Medien sehr schwach, so dass für die Erzeugung „gequetschter Zustände“ sehr intensive Lichtstrahlen erforderlich sind.
Theoretisch sollten einzelne Atome dagegen gequetschtes Licht bereits durch Wechselwirkung mit wenigen Photonen erzeugen können. Dies wurde bereits vor rund 30 Jahren vorhergesagt. Aber da bei diesem Vorgang extrem wenig Licht emittiert wird, waren bislang alle Versuche der experimentellen Realisierung an technischen Schwierigkeiten gescheitert. Die von Forschern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik seit Jahren entwickelten ausgefeilten Methoden für die Kühlung, Isolation und Manipulation einzelner Atome haben dies nun ermöglicht.
Rubidiumatom im Spiegelkäfig
Für ihr Experiment fingen die Wissenschaftler zunächst ein einzelnes Rubidiumatom in einer Falle, die aus zwei Spiegeln höchster Güte in einem Abstand von ungefähr einem Zehntel Millimeter bestand. Wenn schwaches Laserlicht in diesen kleinen Bereich eingestrahlt wird, kann das Atom mit einem Photon viele Male in Wechselwirkung treten. Es bildet dadurch mit den Photonen des Lichtfeldes eine Art künstliches Molekül. Gelangen zwei Photonen gleichzeitig in das System, werden sie durch die Wechselwirkung mit dem Atom korreliert. „Die beiden Photonen, die von diesem – an den Resonator gekoppelten – Atom emittiert werden, sind nicht unterscheidbar, sondern schwingen gemeinsam“, erklärt Gerhard Rempe, Leiter der Abteilung Quantendynamik. „Daher werden jetzt die wellenähnlichen Eigenschaften des Lichtfeldes beeinflusst.“
Amplitude und Phase gezielt verändert
In einem Fall regten die Physiker dieses System mit Licht aus einem Laser an, der auf die Anregungsfrequenz des einzelnen Atoms abgestimmt war. Messungen zeigten, dass dann die Phase des emittierten Lichtfeldes „gequetscht“ ist, seine Fluktuationen sind im Vergleich mit der normalen Breite reduziert. Strahlen die Forscher dagegen Licht mit der Resonanzfrequenz des Spiegelsystems ein, dann verwandelt das einzelne Atom in dem Resonator die Laserstrahlen in Licht mit kleineren Amplituden, aber stärkeren Phasenfluktuationen als es dem Grundrauschen entspricht.
„Normalerweise beeinflussen einzelne Quantenobjekte die teilchenähnlichen Eigenschaften von Licht. Interessanterweise können sie aber auch die wellenähnlichen Eigenschaften verändern, wie die hier gemessene Quetschung des – im Durchschnitt zwei Photonen enthaltenden – Laserlichts zeigt“, sagt Alexei Ourjoumtsev. Sein Kollege Karim Murr ergänzt: „Unser Experiment zeigt, dass das Licht, das von einzelnen Atomen ausgesandt wird, sehr viel komplexere Eigenschaften hat als in dem einfachen Bild von Albert Einstein über die Photoemission. Unsere Messung ist in exzellenter Übereinstimmung mit den Erwartungen der Quantenelektrodynamik für starke Kopplung.“
Bislang waren für die Beobachtung von „gequetschtem“ Licht Systeme aus vielen Atomen, wie z.B. optisch nichtlineare Kristalle, und hohe Laserintensitäten, also sehr viele Photonen, notwendig. Erstmals ist es hier dagegen gelungen, diese nicht-klassischen Lichtzustände mit einzelnen Atomen und extrem schwachen Lichtfeldern zu erzeugen. Die Möglichkeit, dass ein einzelnes Atom starke kohärente Wechselwirkungen zwischen Photonen induzieren kann, eröffnet neue Anwendungsperspektiven für photonische Quantenlogik mit einzelnen Quantenemittern. (Nature, 2011; doi:10.1038/nature10170)
(MPI für Quantenoptik, 01.07.2011 – NPO)
