Quantensprung in der Lasertechnologie
Eine EU-geförderte Forschungsgruppe der österreichischen Universität Innsbruck hat einen Miniaturlaser erfunden, der nach demselben Prinzip wie ein klassischer Laser arbeitet, allerdings auch quantenmechanische Eigenschaften bei seinen Atom-Photon-Wechselwirkungen aufweist. Diese in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Forschungsergebnisse werden zu einem besseren Verständnis der Eigenschaften von Lasern beitragen und zum Messen von Spurengasen und Kohlenstoffisotopenverbindungen in Luft und Boden verwendet werden. Die EU-Förderung für die Arbeit stammt aus den Projekten QUBITS ("Quantum based information processing and transfer using single atoms and photons") und QUEST, beide über das Fünfte Rahmenprogramm (RP5) finanziert, sowie aus dem Projekt SCALA ("Scalable quantum computing with light and atoms"), das unter dem Sechsten Rahmenprogramm (RP6) gefördert wird. Zusätzliche Mittel wurden von der Industriellenvereinigung Tirol und dem österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung bereitgestellt. Die ersten Laser (künstlich gerichtete Lichtstrahlen) wurden vor 50 Jahren entwickelt. Heutzutage ist Lasertechnologie in den Alltag eingezogen. Sie findet breiten Einsatz in vielen Bereichen, vor allem in Elektronik, medizinischen Anwendungen, Gesundheit und Schönheit, Sicherheit und Unterhaltung. Ein klassischer Laser besteht aus einem optisch gepumpten Lasermedium (Verstärkungsmedium), das von einem Spiegelresonator umgeben ist, in dem das Licht verstärkt wird. In einem solchen Laser ist ein sprunghafter Anstieg der Ausgangsleistung zu vermerken, wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht wird, bei dem die Verluste bei einem Umlauf des Lichts im Resonator durch die Verstärkung im Medium gerade ausgeglichen werden. Je mehr Photonen vorhanden sind, umso stärker ist die Verstärkung des Lichts. Die Forschungsgruppe von der Universität Innsbruck wollte demonstrieren, dass eine Schwellpumpleistung bei dem kleinstmöglichen Grundbaustein eines Lasers möglich ist: einem einzelnen Atom, das mit einer einzelnen Mode in einem optischen Resonator interagiert. Dazu wurde ein Calcium-Ion in einer Ionenfalle eingefangen und mit externen Lasern angeregt. Der optische Resonator besteht bei diesem Aufbau aus zwei Spiegeln, zwischen denen die vom Ion emittierten Photonen in einer Mode eingefangen werden. Das Ion wird durch die externen Laser zyklisch angeregt und fügt der Resonatormode bei jedem Zyklus ein Photon hinzu, was zu einer Verstärkung des Lichts führt. Bei starker Kopplung des Ions an die Resonatormode verhält sich das System aus Atom und Resonator quantenmechanisch: Es können immer nur einzelne Photonen in den Resonator eingebracht werden. "Damit kann es zu keiner Selbstverstärkung und auch zu keinem Schwellverhalten kommen", erklärte François Dubin von der Universität Innsbruck und Erstautor der Veröffentlichung. Vor einigen Jahren wurde bereits in einer anderen Studie ein Quantenlaser demonstriert. Die neue Studie unterscheidet sich von der alten durch die einstellbare Kopplung des Atoms an der Resonatormode. Die Forscher fanden heraus, dass durch geeignete Wahl der Parameter des Anregungslasers eine stärkere Anregung erreicht und dadurch mehr Photonen in den Resonator eingebracht werden konnten. Obwohl im Mittel immer noch weniger als ein Photon im Resonator vorhanden war, konnten Selbstverstärkungseffekte in Form eines Schwellverhaltens beobachtet werden. "Ein einzelnes Atom ist ein sehr schwacher Verstärker. Daher ist das Schwellverhalten nicht so stark ausgeprägt wie bei einem klassischen Laser", sagte Dr. Piet Schmidt von der Universität Innsbruck Bei einem klassischen Laser führt eine noch stärkere Anregung zu einer höheren Ausgangsleistung, doch dies ist beim Innsbrucker Miniaturlaser nicht der Fall. Bei ihrem Gerät verlöscht der Laser. Die Innsbrucker Forscher wollen daher nun den Übergang vom klassischen Laser zum Quantenlaser durch kontrolliertes Hinzufügen von weiteren Atomen genauer untersuchen.
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