Wissenschaftler steuern Lichtstrom mit rein optischem Transistor
Eine Frage, die viele Wissenschaftler beschäftigt ist: Wie breitet sich Licht aus? Forscher aus Deutschland und der Schweiz sind hierbei ein Stück weitergekommen. Sie fanden heraus, wie man Licht rein optisch auf einem Chip gezielt steuern kann. In ihrem Artikel in der Fachzeitschrift Science beschreiben sie, wie sie eine Form induzierter Transparenz demonstrierten, die durch Strahlungsdruck erzielt wird. Dabei werden zwei Modi aneinander gekoppelt: der optische und der mechanische. Ihre Arbeit wurde durch eine Beihilfe des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) für Nachwuchswissenschaftler und ein Marie-Curie-Exzellenz-Stipendium unterstützt. Sie könnte vielfältige Anwendungen finden, von der Telekommunikation bis zur Quanteninformationstechnologie. Den Forschern vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Deutschland und der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz zufolge könnte man mithilfe einer optomechanisch induzierten Transparenz Lichtpulse verlangsamen oder sogar völlig abspeichern. Das erfolgt über die Kopplung von optomechanischen Mikroresonatoren. Unter der Leitung von EPFL-Professor Tobias J. Kippenberg fand das Team heraus, dass die Wechselwirkung von Licht (Photonen) und mechanischen Schwingungen (Phononen) hilft, die Transmission eines Lichtstrahls durch einen Chip-basierten Mikroresonator direkt mit einem zweiten, stärkeren Lichtstrahl zu kontrollieren. In früheren Studien konnte lediglich die Wechselwirkung von Laserlicht mit atomaren Gasen durch "elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT)" beobachtet werden, mit der sich die Ausbreitung von Licht steuern lässt. Trotz einiger interessanter Ergebnisse stellten die Wissenschaftler fest, dass EIT eine Reihe von Einschränkungen besitzt und beispielsweise nur auf Wellenlängen beschränkt ist, die den natürlichen Anregungsenergien der Atome entsprechen. Für die Zwecke ihrer Studie baute das deutsch-schweizerische Team ihr Prinzip auf der optomechanischen Kopplung von Photonen an mechanische Schwingungen in einem optomechanischen Mikroresonator auf. Mithilfe von in der Nanofabrikation üblichen Methoden schufen sie optomechanische Geräte, die das eingefangene Licht umlaufen lassen und gleichzeitig wie ein mechanischer Oszillator wirken. Strahlungsdruck entsteht, wenn Licht in den Resonator eingekoppelt wird und die Photonen Kraft ausüben. Obwohl diese Kraft schon seit vielen Jahren eingesetzt wird, um Atome einzufangen und zu kühlen, nutzen die Wissenschaftler ihr Potenzial für die Steuerung mechanischer Schwingungen auf der Mikro- und gar der Nanoskala erst seit rund fünf Jahren. Hieraus entstand ein neues Forschungsgebiet, das die Photonik mit der Mikro- und Nanomechanik vereint: die Resonator-Optomechanik. Das Team fand heraus, dass der Strahlungsdruck in einem optomechanischen Mikroresonator verstärkt wird und den Hohlraum verformen kann, indem er das Licht wirksam an die mechanischen Schwingungen koppelt. Darüber hinaus kann ein zweiter "Kontrolllaser" an den Resonator angekoppelt werden. Die Forscher entdeckten, dass beide Laser zusammen den mechanischen Oszillator in Schwingung versetzen, was wiederum mithilfe eines optomechanischen Interferenzeffekts verhindert, dass das Signallicht in den Resonator gekoppelt wird. Dadurch entsteht ein Transparenz-Fenster für den Signalstrahl. Dr. Schliesser von der EPFL und vom MPQ: "Wir wissen schon seit mehr als zwei Jahren, dass dieses Phänomen auftreten müsste." Und Stefan Weis, der auch an beiden Einrichtungen arbeitet und einer der Leitautoren des Artikels ist, fügte hinzu: "Sobald wir wussten, in welchem Frequenzbereich wir suchen müssen, haben wir den Effekt direkt gefunden." Der neue, von seinen Entdeckern "OMIT" (optomechanisch induzierte Transparenz) getaufte Effekt könnte die Photonik um eine Reihe von Funktionalitäten bereichern. Dem Team zufolge könnte man durch die Weiterentwicklung von OMIT in die Lage versetzt werden, einen Photonenstrom in mechanische Anregungen - Phononen - umzuwandeln, optische Puffer für eine bessere optische Datenspeicherung ermöglichen und er könnte hybriden Quantensystemen zugutekommen.
Länder
Schweiz, Deutschland