Optische „Stradivari“ als Turbolichtschalter

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat den weltweit schnellsten optischen Schalter entwickelt. Mit diesem Instrument können ganz neue Einblicke in die Licht-Materie-Wechselwirkung gewonnen werden. Denn bislang Unsichtbares wird sichtbar: wie schnell sich eine Resonanz zwischen Elektronen und Licht tatsächlich aufbaut.

Es entsteht eine Art „Slow-Motion-Film“ von ultraschnellen mikroskopischen Prozessen, deren Verständnis etwa für superschnelle Datenautobahnen der Zukunft immens wichtig werden könnte, so die Forscher in der aktuellen Ausgabe von „Nature“.

Die Physiker haben hierzu ein Lasersystem der Extraklasse entwickelt. Die Laserblitze aktivieren Elektronen im Inneren eines optischen Resonators auf einer Zeitskala von nur wenigen Femtosekunden. Eine kaum vorstellbare Zeiteinheit, denn eine Femtosekunde entspricht dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde. Mit der weltweit schnellsten infrarotempfindlichen Zeitlupenkamera wird aufgezeichnet, wie das im Resonator gefangene Licht an Schwingungen von Elektronen koppelt.

Spiegelpaar als Lichtresonator

Die Physiker um Rupert Huber und Professor Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz beschreiben die Neuentwicklung in ihren Laboren durch einen Vergleich aus der Musik. „Stellen wir uns eine Geige vor. Damit eine schwingende Saite gut an Schallwellen ankoppelt, also einen Ton erzeugen kann, brauchen wir einen Resonanzkörper, den Korpus. Diese Idee kann man – auf viel kürzeren Zeitskalen – auf die Optik übertragen: Um Lichtwellen mit Elektronen effektiv zu koppeln, nutzen wir ein winziges Spiegelpaar als Lichtresonator, unsere optische ‚Stradivari‘.“

Die Anordnung wird durch maßgeschneiderte Nanostrukturierung eines Halbleiters wie Galliumarsenid gefertigt, den man auch für Photosensoren verwendet. Diese Strukturen wurden vom Team um Professor Alessandro Tredicucci an der Scuola Normale Superiore in Pisa entwickelt und unter Leitung von Professor Lucia Sorba, Laboratorio Nazionale TASC, in Triest hergestellt.

„Im Gegensatz zur Akustik folgt die starke Wechselwirkung von Licht und Elektronen im Mikroresonator aber nicht den Gesetzen der klassischen Physik, sondern der Quantenelektrodynamik – ein spannendes Forschungsthema etwa in der Nanooptik“, so Huber zu den Grundlagen.

Problem im Doppelpack

Ein riesiges Fragezeichen schwebte allerdings immer über der Frage, wie schnell sich die Vorgänge zwischen Elektronen und Photonen, den Lichtteilchen, wirklich abspielen und was bei der Interaktion genau passiert.

„Wir haben praktisch ein Problem im Doppelpack: kleine Dimensionen und extrem schnelle Phänomene. Wissenschaftler haben Jahre davon geträumt, genau diese Blackbox zu öffnen. Jetzt ist sie geöffnet. Wir können auf kürzesten Zeitskalen beobachten, was passiert wenn Licht in Resonanz mit Elektronen tritt, haben eine Art Zeitlupenfilm. Damit haben wir einen Schlüssel zu einer neuen faszinierenden Quantenwelt gefunden“, erklärt Huber.

Um einen Schaltvorgang auf der Zeitskala der Superlative überhaupt beobachten zu können, nutzen die Forscher an der Universität Konstanz die weltweit schnellste infrarotempfindliche Zeitlupenkamera. „Die laserbasierte Anlage ist mit Detektoren ausgerüstet, die so schnell, sind dass sie Licht als zeitlich oszillierende elektromagnetische Welle wahrnehmen können“, so Huber. Damit konnte die Konstanzer Gruppe direkt verfolgen, wie sich Elektronen innerhalb weniger Femtosekunden mit Photonen verbinden, die im Resonator eingeschlossen sind.

Quantenmelodie entschlüsseln

Dabei entstehen exotische, quantenmechanisch stark gekoppelte Licht-Materie-Teilchen, so genannte Polaritonen. Sie ändern die optischen Eigenschaften des Systems drastisch. Im neu entwickelten Bauteil vollzieht sich dieser Einschaltprozess sogar schneller als die Periodendauer einer einzigen Lichtschwingung.

Zu den Perspektiven meint Huber: „Unser Traum wäre, in der Zukunft wenige Photonen auf der Femtosekundenskala zu verfolgen und gewissermaßen deren Quantenmelodie zu entschlüsseln. Da liegt noch eine Menge Arbeit vor uns.“

Mit den neuen experimentellen Fortschritten rücken diese Visionen erstmals in den Bereich des Möglichen. Die Forscher erhoffen sich über fundamentale wissenschaftliche Erkenntnisse hinaus auch Impulse für neue Anwendungen, etwa in der optischen Informationstechnologie bei höchsten Bitraten.

(idw – Universität Konstanz, 17.03.2009 – DLO)