Einen Lichtspeicher, der lange Speicherzeit, kleines Volumen, und Abstimmbarkeit auf beliebige Lichtfrequenzen in sich vereint, haben jetzt deutsche Physiker entwickelt. Der aus nur einem Bauteil bestehende Mikroresonator besteht im Prinzip nur aus einer Ausbauchung einer Glasfaser. Er könnte zukünftig beispielweise in der Quantenkommunikation eingesetzt werden.
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Licht ist nicht greifbar und bewegt sich zudem mit großer Geschwindigkeit. Es lässt sich jedoch auf kleinstem Raum einfangen, indem man die Wände eines mikroskopischen Containers, in den das Licht kontrolliert einfällt, verspiegelt. Durch fortwährende Reflexion wird das Licht gewissermaßen eingesperrt und kann nicht entweichen. Einen so verspiegelten Mikro-Hohlraum nennen die Experten Mikroresonator. Ein technisches Einsatzgebiet für Mikroresonatoren ist beispielsweise die Laserdiode, die die Telekommunikation und die optische Datenspeicherung in den letzten Jahrzehnten revolutioniert hat.
Aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit beträgt die Zahl der Reflexionen in Mikroresonatoren pro Sekunde bis zu einige Billionen. Soll unter diesen Bedingungen das Licht auch nur eine Millionstel Sekunde gespeichert bleiben, so darf bei jeder einzelnen der eine Million Reflexionen, die in dieser Zeit erfolgen, nur etwa ein Millionstel der Lichtleistung verloren gehen. Ein gewöhnlicher metallisierter Spiegel verliert pro Reflexion einige Prozent Lichtleistung und wäre damit mehr als zehntausend Mal zu schlecht.
„Alleskönner“-Mikroresonator aus nur einem Bauteil
Ein Mikroresonator kann zudem, abhängig von seinen Abmessungen, nur Licht bestimmter Frequenzen beziehungsweise Farben speichern. Soll das gespeicherte Licht aber mit Atomen gekoppelt werden, beispielsweise in einem Laser, so muss seine Frequenz genau auf die jeweilige Atomsorte abgestimmt sein. An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun einem Team von Physikern um Professor Arno Rauschenbeutel erstmals gelungen, einen nur aus einem Bauteil bestehenden Mikroresonator zu realisieren, der alle gewünschten Eigenschaften in sich vereint: lange Speicherzeit, kleines Volumen, und Abstimmbarkeit auf beliebige Lichtfrequenzen.
Glasfaser mit „Bauch“
Wie das Forscherteam in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichtet, genügt es hierfür, eine herkömmliche Glasfaser durch Erhitzen und Strecken auf etwa den halben Durchmesser eines menschlichen Haares zu verjüngen und auf dieser dann mit Hilfe eines Lasers eine bauchige Struktur zu erzeugen. In dieser Struktur wird das Licht kontinuierlich an der Oberfläche der Glasfaser reflektiert und umläuft so auf einer Schraubenbahn die Achse der Glasfaser. Dabei kann das Licht auch entlang der Glasfaser nicht entweichen, weil der Durchmesser der Glasfaser zu beiden Seiten hin abnimmt.
Einstellung auf Lichtfrequenz durch Ziehen
Ähnlich den geladenen Teilchen in einer magnetischen Flasche, einem räumlich variierenden Magnetfeld, pendelt das Licht in dem neu entwickelten Mikroresonator der Mainzer Physiker zwischen zwei Umkehrpunkten entlang der Glasfaser hin und her. Aus diesem Grund spricht man bei dem hier realisierten Lichtspeicher von einem Flaschenresonator. Die Einstellung dieses Flaschenresonators auf bestimmte Lichtfrequenzen erfolgt ganz einfach über Ziehen an den beiden Enden der ihn tragenden Glasfaser. Die dabei auftretende mechanische Spannung wirkt sich auf den Brechungsindex des Glases aus, so dass sich die Umlaufzeit des Lichts je nach Spannung verlängert oder verkürzt.
Quantenschnittstelle zwischen Licht und Materie
Mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften und seiner einfachen, auf Glasfasertechnologie beruhenden Bauart eröffnet der Flaschenresonator zahlreiche Anwendungsfelder. „An der Universität Mainz möchten wir den neuen multifunktionalen Mikroresonator einsetzen, um winzige, nur aus einzelnen Photonen bestehende Lichtfelder mit einzelnen Atomen zu koppeln“, erklärt Rauschenbeutel. „Sollte das gelingen, so könnte man zum Beispiel eine glasfaserbasierte Quanten-Schnittstelle zwischen Licht und Materie realisieren.“ Damit könnte ein wichtiger Beitrag zur Quantenkommunikation und zur zukünftigen Realisierung eines Quantencomputers geleistet werden.
(Universität Mainz, 30.07.2009 – NPO)
