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Forschung deckt neue exotische Quantenphänomene an Atom-Nanophotonik-Schnittstellen auf

Starke Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie im atomaren Bereich zu erreichen, wo Quanteneffekte das Sagen haben, ist eines der spannendsten Bestreben der Physik. Die Verwendung von nanophotonischen Schnittstellen statt ihrer makroskopischen Gegenstücke verspricht, exotische Quantenphänomene bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen offenzulegen.

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Die Forschung zu effizienten Licht-Materie-Schnittstellen im Nanobereich hat jüngst großes Interesse auf sich gezogen, vor allem aufgrund der vielfältigen potenziellen Anwendungen wie Quantencomputer und photonengenaue Quantensensorik. Zur Verstärkung von Licht-Materie-Wechselwirkungen werden Atome für gewöhnlich an ein makroskopisches System gekoppelt, wie ein großer optischer Resonator, oder man bringt eine dichte Atomwolke in freiem Raum mit Licht in Kontakt. Der nächste Schritt ist die Kopplung der Atome an nanophotonische Strukturen. Diese Integration kann Licht-Materie-Wechselwirkungen weiter verstärken und so zu robusteren Systemen führen. „Eine zentrale Frage ist, ob die Verwendung von nanophotonischen Schnittstellen nicht nur alte Dinge besser funktionieren lässt als neue, sondern ob sie auch bislang unbekannte Quantenphänomene offenbaren kann“, merkt Darrick Chang an, Stipendiat des Europäischen Forschungsrats und Hauptforscher des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts FoQAL. „In theoretischer Hinsicht besteht die Frage darin, wie diese neuen Systeme modelliert werden sollten, da sie sich wesentlich von ihren größeren Gegenstücken unterscheiden“, fügt Chang hinzu.

Neue Modelle erfassen die Quantendynamik

Es ist äußerst schwierig, die Quantendynamik von Atomen und Licht im Nanobereich im Detail zu beschreiben. Das liegt vor allem an der großen Anzahl beteiligter Atome und der unendlichen Anzahl an Lichtmodi, die definieren, wie Lichtwellen sich durch den Raum bewegen. Das Projektteam entwickelte einen neuartigen und universellen Formalismus, der die elektronischen Zustände („Spins“) der Atome als primäre Freiheitsgrade versteht – unabhängige Werte, die sich frei verändern können. In diesem sogenannten Spinmodell interagieren die Atome über einen Photonenaustausch miteinander. „Wenn wir dieses Modell lösen, können wir alle Quanteneigenschaften der generierten Photonen aus den Eigenschaften der Atome ableiten. Diese exakte Ausformulierung hat zur Folge, dass es nicht mehr nötig ist, die unendliche Anzahl optischer Modi nachzuverfolgen“, erklärt Chang.

Interferenzen von Lichtwellen sollten nicht vernachlässigt werden

Unter Verwendung des Spinmodells zeigte die Forschungsgruppe, dass nanophotonische Kristalllichtwellenleiter neuartige Plattformen sind, über die Atome und Photonen interagieren können, selbst wenn sie relativ weit voneinander entfernt sind. Diese Art der Wechselwirkung über eine längere Entfernung hinweg ist in den meisten physikalischen Umgebungen eher selten, ermöglicht aber die Beobachtung exotischer Phänomene wie aus Atomen geformte Quantenkristalle, die durch Verschränkung zusammengehalten werden. Das Modell ermöglichte dem Team von FoQAL außerdem, neue Erkenntnisse über herkömmliche atomare Gase im freien Raum zu gewinnen. Zum Beispiel sagte es einen neuen Wert (einen Grenzwert) für die Leistung eines Quantenspeichers für Licht voraus, der exponentiell besser ist als ein Grenzwert, der bislang als unumstößlich galt. Diese dramatische Verbesserung resultierte daraus, dass die Welleninterferenz bei der Abstrahlung von Licht aus Atomen ausgenutzt wurde, die am größten ist, wenn die Atome dicht beieinander festgehalten werden. Interessanterweise wird die Interferenz bei traditionellen Licht-Materie-Schnittstellen völlig außer Acht gelassen, entweder, weil es schwierig ist, sie in den Gleichungen zu berücksichtigen oder weil sie vernachlässigbar ist. „Die Ergebnisse legen nahe, dass die Interferenz ein unerlässliches Element ist, das die Speicherfähigkeit und Effizienz von Licht-Materie-Schnittstellen verbessern kann. Eine spannende Frage, die unbedingt zu untersuchen wäre, ist, ob die Interferenz auch genutzt werden kann, um anderen Quantenanwendungen ebenso einen Schub zu verleihen, und ob sie zu weiteren Phänomenen führen kann, die unser Lehrbuchwissen über Atom-Licht-Wechselwirkung infrage stellen“, schließt Chang.

Schlüsselbegriffe

FoQAL, Interferenz, Licht-Materie-Wechselwirkung, exotische Quantenphänomene, nanophotonischer Kristall, nanophotonische Schnittstelle, Spinmodell, Quantenspeicher

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