Von Jan Lublinski
Licht entsteht, wenn Elektronen, die um Atomkerne kreisen, Energie abgeben. Im Wolframdraht einer normalen Glühlampe geschieht dies zufällig und unkontrolliert. Die Wolfram-Atome senden viele verschiedene Lichtteilchen - sogenannte Photonen - in verschiedenen Farben aus.
Beim Laser hingegen läuft dieser Prozess geordnet ab. Er erzeugt einen gerichteten Strahl und das kontrolliert über einer Art Lawinen-Effekt: Ein Photon, das auf ein Atom trifft, regt dieses dazu an, ein weiteres gleichartiges Photon zu erzeugen. Diese beiden Photonen erzeugten bei den nächsten Atomen zwei weitere Photonen, und diese vier wiederum erzeugen dann acht, dann 16, dann 32 und so weiter. Diese Lawine funktioniert so gut, weil das Licht im Laser zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert wird und sich dabei immer weiter verstärken kann. Zwischen den beiden Spiegeln befindet sich das sogenannte Laser-Medium - ein Gas, ein Kristall oder ein Halbleiterchip. Die Atome in diesem Medium werden durch Energiezufuhr ständig angeregt und sorgen dafür, dass zwischen den beiden Spiegeln immer neues Licht entsteht. Der amerikanische Physiker Jeff Kimble und seinen Kollegen vom Caltech in Pasadena ist es nun gelungen, dieses Lasermedium auf ein einzelnes Atom zu reduzieren.
Das Problem, wenn man nur mit einem Atom arbeiten will, besteht darin dass dieses eine Atom die ganze Arbeit machen muss, die vorher sehr viele Atome gemacht haben. Es muss das erste Photon erzeugen, und dieses Photon muss von den beiden Spiegeln zurück zum Atom gebracht werden. Dort regt es die Emission des nächsten Photons an, und so weiter. Die Wechselwirkung zwischen dem Atom und den beiden Spiegeln muss millionenfach stärker sein, wenn wir nur mit einem Atom statt mit vielen Atomen arbeiten.
Um den Ein-Atom-Laser zu realisieren, haben Kimble und Kollegen zwei winzige Spiegel mit einem Abstand von 15 Mikrometern gebaut. Zwischen den Spiegeln halten sie ein Cäsiumatom in einer optischen Falle aus anderen Laserstrahlen fest und kühlen es auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt herunter. Dieser kleinste Laser der Welt produziert 100 000 Photonen pro Sekunde, was einer Leistung von 10 hoch minus 14 Watt entspricht.
Eine extrem schwache Funzel also, die aber etwas Besonderes hat: Ihr Licht ist außerordentlich ordentlich. Will meinen: Dass eine Atom produziert seine Photonen sehr regelmäßig. Viel regelmäßiger als das in einem gewöhnlichen Laser der Fall ist.
Wenn dieses eine Atom kann immer nur ein Photon abstrahlen. Und es dauert eine Weile, bis es wieder angeregt wird und ein zweites Photon abstrahlt. Wenn wir also außerhalb des Lasers ein Photon sehen, dann ist es sehr unwahrscheinlich, dass gleich danach ein zweites heraus kommt. Das Atom braucht einige Zeit, bis es wieder angeregt ist.
Die Photonen aus Kimbles Laser kommen also wie Tropfen aus einem fast geschlossenen Wasserhahn: einer nach dem anderen, mit einem sehr gleichmäßigen Abstand. Ein mögliches Einsatzgebiet für dieses Spezial-Licht sieht Kimble in der Übertragung von verschlüsselten Daten.
Die erste Anwendung dieser präzisen Photonen-Emission ist die Quantenkryptographie, eine Methode, mit der man geheime Botschaften verschicken kann. Auf diesem Gebiet hat es in den vergangenen Jahren große Fortschritte gegeben. Diese Technik erfordert aber eigentlich keinen gleichmäßigen Strahl aus Laserlicht, sondern vielmehr einzelne Photonen, die gezielt abrufbar sind.
Die Quantenkryptographie ist zwar eine absolut abhörsichere Technik, aber wenn sie mit gewöhnlichen Lasern betrieben wird, ist sie sehr langsam. Der neue Ein-Atom-Laser wird die verschlüsselte Datenübertragung nun erheblich beschleunigen.
Licht entsteht, wenn Elektronen, die um Atomkerne kreisen, Energie abgeben. Im Wolframdraht einer normalen Glühlampe geschieht dies zufällig und unkontrolliert. Die Wolfram-Atome senden viele verschiedene Lichtteilchen - sogenannte Photonen - in verschiedenen Farben aus.
Beim Laser hingegen läuft dieser Prozess geordnet ab. Er erzeugt einen gerichteten Strahl und das kontrolliert über einer Art Lawinen-Effekt: Ein Photon, das auf ein Atom trifft, regt dieses dazu an, ein weiteres gleichartiges Photon zu erzeugen. Diese beiden Photonen erzeugten bei den nächsten Atomen zwei weitere Photonen, und diese vier wiederum erzeugen dann acht, dann 16, dann 32 und so weiter. Diese Lawine funktioniert so gut, weil das Licht im Laser zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektiert wird und sich dabei immer weiter verstärken kann. Zwischen den beiden Spiegeln befindet sich das sogenannte Laser-Medium - ein Gas, ein Kristall oder ein Halbleiterchip. Die Atome in diesem Medium werden durch Energiezufuhr ständig angeregt und sorgen dafür, dass zwischen den beiden Spiegeln immer neues Licht entsteht. Der amerikanische Physiker Jeff Kimble und seinen Kollegen vom Caltech in Pasadena ist es nun gelungen, dieses Lasermedium auf ein einzelnes Atom zu reduzieren.
Das Problem, wenn man nur mit einem Atom arbeiten will, besteht darin dass dieses eine Atom die ganze Arbeit machen muss, die vorher sehr viele Atome gemacht haben. Es muss das erste Photon erzeugen, und dieses Photon muss von den beiden Spiegeln zurück zum Atom gebracht werden. Dort regt es die Emission des nächsten Photons an, und so weiter. Die Wechselwirkung zwischen dem Atom und den beiden Spiegeln muss millionenfach stärker sein, wenn wir nur mit einem Atom statt mit vielen Atomen arbeiten.
Um den Ein-Atom-Laser zu realisieren, haben Kimble und Kollegen zwei winzige Spiegel mit einem Abstand von 15 Mikrometern gebaut. Zwischen den Spiegeln halten sie ein Cäsiumatom in einer optischen Falle aus anderen Laserstrahlen fest und kühlen es auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt herunter. Dieser kleinste Laser der Welt produziert 100 000 Photonen pro Sekunde, was einer Leistung von 10 hoch minus 14 Watt entspricht.
Eine extrem schwache Funzel also, die aber etwas Besonderes hat: Ihr Licht ist außerordentlich ordentlich. Will meinen: Dass eine Atom produziert seine Photonen sehr regelmäßig. Viel regelmäßiger als das in einem gewöhnlichen Laser der Fall ist.
Wenn dieses eine Atom kann immer nur ein Photon abstrahlen. Und es dauert eine Weile, bis es wieder angeregt wird und ein zweites Photon abstrahlt. Wenn wir also außerhalb des Lasers ein Photon sehen, dann ist es sehr unwahrscheinlich, dass gleich danach ein zweites heraus kommt. Das Atom braucht einige Zeit, bis es wieder angeregt ist.
Die Photonen aus Kimbles Laser kommen also wie Tropfen aus einem fast geschlossenen Wasserhahn: einer nach dem anderen, mit einem sehr gleichmäßigen Abstand. Ein mögliches Einsatzgebiet für dieses Spezial-Licht sieht Kimble in der Übertragung von verschlüsselten Daten.
Die erste Anwendung dieser präzisen Photonen-Emission ist die Quantenkryptographie, eine Methode, mit der man geheime Botschaften verschicken kann. Auf diesem Gebiet hat es in den vergangenen Jahren große Fortschritte gegeben. Diese Technik erfordert aber eigentlich keinen gleichmäßigen Strahl aus Laserlicht, sondern vielmehr einzelne Photonen, die gezielt abrufbar sind.
Die Quantenkryptographie ist zwar eine absolut abhörsichere Technik, aber wenn sie mit gewöhnlichen Lasern betrieben wird, ist sie sehr langsam. Der neue Ein-Atom-Laser wird die verschlüsselte Datenübertragung nun erheblich beschleunigen.