Physiker erzeugen stabile Kopplung zwischen Licht und hochfrequenten Schallwellen Koordinierter Tanz von Licht und Schall - scinexx | Das Wissensmagazin
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Physiker erzeugen stabile Kopplung zwischen Licht und hochfrequenten Schallwellen

Koordinierter Tanz von Licht und Schall

Glasresonator
Solche gläsernen Mikroresonatoren koppeln Licht mit hochfrequentem Schall. © Quantum Measurement Lab, Imperial College London

Flüstergalerie für Lichtwellen: Physikern ist es gelungen, hochfrequenten Schall und Lichtwellen auf stabile Weise zu koppeln. Bei diesem als Brillouin-Streuung bezeichneten Effekt sorgen Wechselwirkungen zwischen den mechanischen und optischen Wellen für eine Verstärkung des Lichts. Dank eines speziellen Aufbaus konnten die Forscher diese Verstärkung nun bei sehr viel höherfrequentem Schall als bisher erzielen.

Bei optischen Verstärkern in Glasfaserkabeln wird diese Kopplung von Licht und Schall schon länger eingesetzt: Akustische Gitterschwingungen in bestimmten Kristallen treten dabei mit den Lichtwellen der Lasersignale in eine Wechselwirkung. Resonanzeffekte lösen dann eine Übertragung von Energie aus, die das Laserlicht in eine Richtung streut und dadurch verstärkt. Bisher allerdings funktionierte diese Brillouin-Streuung nur mit Schallwellen im Bereich von 20 bis 100 Megahertz.

Flüstergalerie für Licht

Jetzt jedoch ist es Georg Enzian von der University of Oxford und seinem Team gelungen, diese Grenze auszuweiten. Sie haben eine stabile Kopplung von Licht und Schall noch bei hochfrequentem Schall von elf Gigahertz erzielt. „Diese starke Kopplungs-Regime zu erreichen, war ein aufregender Moment für uns „, sagt Enzian.

Gelungen ist dies den Forschern mithilfe einer speziellen Glasstruktur. Sie ähnelt auf den ersten Blick zwei Glasstäbchen, die über eine rundliche Engstelle miteinander verbunden sind. Diese ringförmige Nahtstelle jedoch ist die entscheidende Komponente, wie die Wissenschaftler erklären. Denn sie wirkt als Resonator: Ähnlich wie manche architektonische Bauten geflüsterte Worte verstärken und weiterleiten, kann diese „Flüstergalerie“ im Mikromaßstab Licht und Schall manipulieren.

Kopplung bei elf Gigahertz

Im Experiment kombinierten die Wissenschaftler zwei solcher gläserner „Flüstergalerien“ und leiteten einen Laserstrahl hindurch. Gleichzeitig brachten sie die Glasresonatoren durch hochfrequente Schallwellen in akustische Schwingungen von elf Gigahertz. „Das optische Feld interagiert nun mit den mechanischen Schwingungen“, so die Forscher.

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Das Besondere aber: Normalerweise wirken bei solchen Resonatoren zwei Varianten des Energieaustausches gegeneinander – und heben sich größtenteils gegenseits auf. Bei der sogenannten Stokes-Streuung gibt das Licht Energie an die akustischen Schwingungen ab und wird dadurch in eine höhere Wellenlänge verschoben. Beim Anti-Stokes-Licht ist es umgekehrt.

„In unserem Ansatz wird die Symmetrie zwischen Stokes und Anti-Stokes durchbrochen und das Stokes-Licht wird unterdrückt“, erklären die Forscher. Dadurch erzeugt das System eine stabile Kopplung von Licht und Schall, die das Laserlicht gezielt verstärkt. „Unseres Wissens nach demonstriert diese Plattform eine optomechanische starke Kopplung mit der höchsten mechanischen Frequenz, die je erzielt worden ist“, so Enzian und sein Team.

Anwendung in der Quantenkommunikation

Dieser Erfolg scheint zwar eher abstrakt, hat aber eine praktische Bedeutung, wie die Forscher betonen: Die Erweiterung der Kopplung auf hochfrequenteren Schall ist gerade für die Quantenoptik und künftige optische Datenübertragungen wichtig. „Das ist ein vielversprechender Ansatz für die Kontrolle der Quantenkommunikation“, so die Wissenschaftler. (Optica, 2018; doi: 10.1364/OPTICA.6.000007)

Quelle: Imperial College London

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