Halte ein, Licht!

Um das sich am schnellsten bewegende Ding im Universum zu stoppen, erforschten die am EU-finanzierten Projekt SLICA (Stationary light in cold atoms) arbeitenden Forscher die Nutzung elektromagnetisch induzierter Transparenz (Electromagnetically Induced Transparency, EIT). Dieses Verfahren ermöglicht das Herstellen von Transparenz für ein Quantensystem in einem engen Frequenzbereich, welches unter anderen Umständen für einen Probenlaserstrahl lichtundurchlässig wäre.

Mit der Anwendung von sich in die entgegengesetzte Richtung ausbreitender Laserstrahlen bot das EIT-Verfahren den SLICA-Wissenschaftlern ein leistungsstarkes Instrument für die Kontrolle der Lichtausbreitung innerhalb optisch getriebener Medien und für die Erzeugung stationärer Lichtimpulse (Stationary Light Pulses, SLP) in einem Medium kalter Atome. Im Gegensatz zu dem allgemein bekanntem gespeichertem Licht, bei dem während der Speicherperiode kein Licht vorhanden ist, ermöglichen SLP das effektive Stoppen von Lichtimpulsen. Die erste experimentelle SLP-Demonstration wurde vor mehr als einem Jahrzehnt in heißem Gas von Rubidium-Atomen erreicht.

Im Gegensatz zu heißen Medien gestaltete sich die Erzeugung von SLP in kalten Medien nicht reibungslos. Insbesondere atomare Kohärenzen mit hoher Frequenz können sich schädlich auf die Lichtübertragung auswirken, die von Natur aus in heißen Medien unterdrückt wird.

Deren Analyse ergab jedoch, dass diese Wirkungen in einem Medium kalter Atome wesentlich unterdrückt werden können, indem die Breite des EIT-Transparenzfensters unterhalb die üblichen Dopplerverschiebungen reduziert wird. Diese Reduktion des EIT-Transparenzfensters führte zu einer erhöhten Interaktionszeit zwischen Lichtimpulsen und Atomen.

Im Hinblick auf das Zukunftsziel der Implementierung einer nicht linearen Optik auf Few-Photon-Ebene mit SLP demonstrierten die SLICA-Wissenschaftler ebenfalls die effiziente Ladung kalter Atome in eine Faser mit einem Hohlkern. In einem solchen System sind Atome und Photonen über makroskopische Distanzen eng aneinander gebunden, was zu einer starken Verbindung zwischen Licht und Materie und somit starken optischen Nichtlinearitäten führt.

Zusätzlich zu dem grundlegenden wissenschaftlichen Interesse wurden die Maßnahmen des Projektteams durch praktische SLP-Anwendungen stimuliert. Zu den zahlreichen vorgesehenen SLP-Anwendungsbereichen zählt die Verwendung in einem vollständig optischen Verfahren und die Speicherung von Informationen in einem Quantencomputer.

Die SLICA-Projektergebnisse haben die Grenzen der EIT-basierten Lichtausbreitungsmanipulation erweitert.