Die theoretische Grundlage für ein gezieltes Hin- und Herspielen eines einzelnen Photons zwischen zwei Atomen haben Wiener Physiker im Fachmagazin "Physical Review Letters" vorgestellt. Gebändigt wird das sonst recht unberechenbare Lichtteilchen mit einer speziellen "Maxwell-Fischaugen-Linse". Das Team konnte mit seinem Konzept erstmals zeigen, dass mit dieser Linse aus dem 19. Jahrhundert im Heute modernes Quanten-Pingpong betrieben werden könnte.

Der Ausgangspunkt für die neuen Berechnungen von Oliver Diekmann, Dimitry Krimer und Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien war eine Beobachtung, die man in Wien vor wenigen Jahren gemacht hat. Damals positionierte man in theoretischen Modellen ein einzelnes Atom inmitten zweier Spiegel und konnte in Berechnungen zeigen, dass ein angeregtes Atom einen Puls mit einem Lichtteilchen (Photon) aussenden kann. Wird dieser Puls dann von den Spiegeln wieder reflektiert, kommt er zum Atom zurück und regt es wieder an, wodurch sich der Vorgang wiederholt.

Das Atom spielte so quasi Pingpong mit sich selbst, erklärte Rotter im Gespräch mit der APA: "Wie wenn man bei einem Tischtennistisch die andere Seite zur Wand aufklappt und mit sich selbst spielt." Das brachte das Team auf die Idee, das Ganze weniger "langweilig" zu gestalten. Die Frage war, ob das "Spiel" auch auf zwei Atome ausgeweitet werden kann.

Da in der Regel aber Photonen Atome im freien Raum nach Anregung in jede Richtung verlassen können, ist es entsprechend schwer, hier für einen gezielten Austausch zu sorgen. "Das Photon breitet sich als Welle aus, wodurch niemand sagen kann, in welche Richtung es sich genau bewegt. Es ist somit purer Zufall, ob das Lichtteilchen von einem zweiten Atom wieder absorbiert wird oder nicht", so Rotter.

Interessante Verwendung im Bereich der Quantenoptik

Es galt also einen besonderen abgeschlossenen Raum zu finden, in dem das nicht so ist. Fündig wurden die Physiker in besagter Maxwell-Fischaugen-Linse, die vom Begründer der klassischen Elektrodynamik, James Clerk Maxwell (1831-1879), entwickelt wurde. In dieser Struktur haben alle Pfade von einem Punkt zu einem jeweiligen Zweiten "die gleiche optische Weglänge". Erreicht wird das, in dem sich der Brechungsindex in der Linse von innen nach außen hin verändert. . Dadurch bewegt sich das Licht, das von einem Atom ausgesandt wird, auf gekrümmten Bahnen, die sich dann alle wieder beim zweiten Atom treffen.

Die Idee der Forscher war, dass sich hier ein mehr oder weniger geschlossener Photonen-Kreislauf aufbauen ließe, wenn man den Rand der Linse mit Spiegeln versieht. Positioniert man dann an zwei neuralgischen Punkten in der Linse je ein Atom, dann landet ein Photon, das dort von einem Atom abgegeben wird, mit ziemlicher Sicherheit exakt beim zweiten Atom. Letzteres wird somit angeregt und emittiert selbst ein Photon, das zum Ausgangspunkt am ersten Atom zurückläuft. Die Berechnungen bestätigten diesen Ablauf auch auf anschauliche Weise, wie Rotter erklärte. Je exakter so ein Aufbau dann realisiert würde, desto länger würde der "Tischtennis-Ball" auch hin und her springen. Das Spiel läuft sozusagen "bis irgendeine Ungenauigkeit im System die Sache aus dem Ruder laufen lässt ", so Rotter.

Die Fischaugenlinse sei zwar schon in der den Regeln der klassischen Physik folgenden Optik oft eingesetzt worden, hier handle es sich aber um eine interessante Verwendung im Bereich der Quantenoptik: "Wir zeigen, dass diese Linse, die es schon seit dem 19. Jahrhundert gibt, auch für Anwendungen mit Quantenlicht gut geeignet ist." Was sich mit so einem Aufbau, mit dem eine Anregung sehr schnell übertragen werden kann, technologisch anstellen ließe, und wann man das in einem Experiment realisieren kann, sei aber noch offen. Man befinde sich hier noch ganz klar im Bereich der Grundlagenforschung, betonte Rotter.

Service: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.013602, Video unter https://www.youtube.com/watch?v=W7AQDsF9k-Q