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Atome in photonischen Kristallen

In den letzten Jahren wurde im Bereich Nanophotonik intensiv an ultrakalten Atomen geforscht. EU-finanzierte Forscher trieben nun Experimente zu Systemen voran, in denen einzelne Atome an photonische Kristallwellenleiter gekoppelt werden.
Atome in photonischen Kristallen
Schwerpunkt des Projekts ATOMNANO (Quantum interface between atomic and nano-photonic systems) war die Kontrolle der Art und Bandbreite von Wechselwirkungen zwischen Atomen und Photonen. Weiterhin wurden durch Konstruktion der optischen Dispersion photonischer Kristalle starke Wechselwirkungen zwischen einzelnen Photonen erzeugt.

Photonische Kristalle sind dielektrische Materialien, bestehend aus nanoskopischen Elementen in periodischer Anordnung. Sie sind nur für bestimmte Wellenlängen des Lichts durchlässig, für andere Wellenlängen hingegen nicht. Durch sorgfältiges Design ihrer Periodizität kann in photonischen Kristallen eine Lichtkontrolle für verlustarme Wellenleiter erreicht werden.

ATOMNANO entwickelte eine Reihe von Rechenwerkzeugen zur Konstruktion photonischer Kristalle, die die Lokalisierung kalter Atome in ihrer Struktur vereinfachen. Zudem wurde mit neuen Designprinzipien gezeigt, wie Wechselwirkungen zwischen Atomen und Photonen, die sich in den Kristallen ausbreiten, abgestimmt werden können.

Speziell zeigte man, dass richtig organisierte photonische Kristallstrukturen starke Interaktionen größerer Wellenlängen unterstützen. Dem wurde ein Phänomen zugrundegelegt, bei dem Atome in eine lokalisierte photonische Wolke "gekleidet" werden, deren Größe sich genau kontrollieren lässt, indem die Eigenschaften der Kristallstruktur angepasst werden.

Die Anpassung der Wechselwirkungen zwischen Quantenstrahler und Einzelphotonen ist einer der Eckpfeiler der Quantenoptik. Die Fähigkeit, weitreichende Wechselwirkungen zwischen Atomen und Photonen zu erreichen, eröffnet auch neue Wege zur Analyse der Quanten-Vielkörperphysik.

Vor dem Abschluss von ATOMNANO wurde demonstriert, dass mit starken, spin-abhängigen Kräften, die aus Atomen stammen, die an photonische Kristalle gekoppelt sind, "Quantenkristalle" erzeugen lassen. In diesen außergewöhnlichen Kristallen hängt die räumliche Organisation der Atome von ihren Spin-Austausch-Energien ab.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

Ultrakalte Atome, Nanophotonik, photonischer Kristall, ATOMNANO, Ganzkörperphysik
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