Der leichteste Spiegel der Welt

Münchner Quantenoptiker haben den leichtesten Spiegel der Welt entwickelt. Das neuartige Metamaterial besteht aus einer einfach strukturierten Schicht, die nur wenigen hundert identische Atome enthält. Die Atome sind in einem zweidimensionalen optischen Gitter aus interferierenden Laserstrahlen angeordnet. Der Spiegel ist damit weltweit einmalig. Die im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlichten Ergebnisse sind die ersten experimentellen Beobachtungen ihrer Art in dem noch neuen Forschungsfeld zu Subwellenlängen-Quantenoptik mit geordneten Atomen.

Für gewöhnlich verwendet man bei Spiegeln hochpolierte Metalloberflächen oder speziell beschichtete Gläser, um ihre Leistung bei kleinerem Gewicht zu verbessern. Aber Physiker um Immanuel Bloch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik an der LMU, haben nun zum ersten Mal gezeigt, dass bereits eine einfach strukturierte Schicht aus nur wenigen hundert Atomen einen optischen Spiegel bilden kann. Es ist der leichteste Spiegel, den man sich vorstellen kann: Er ist nur wenige zehn Nanometer dick und damit tausend Mal dünner als ein menschliches Haar. Die Spiegelung darin ist jedoch so stark, dass man sie mit dem bloßen Auge wahrnehmen könnte.

Der Spiegel arbeitet mit identischen Atomen, die in einem zweidimensionalen Feld zu einem periodischen Viereckmuster angeordnet sind. Dabei ist der Abstand zwischen den Atomen kleiner als deren optische Übergangswellenlänge. Beides sind typische und notwendige Merkmale von Metamaterialien. Metamaterialien sind künstlich erschaffene Strukturen mit spezifischen Eigenschaften, die natürlicherweise kaum vorkommen. Sie erhalten ihre Eigenschaften nicht durch ihr Material, sondern durch die spezielle Struktur, in der sie angelegt werden.Die beiden Eigenschaften – das periodische Muster und die Sub-Wellenlänge – sowie ihr gegenseitiges Zusammenspiel bilden den grundlegenden Mechanismus des neuartigen optischen Spiegels: Auf der einen Seite unterdrücken das regelmäßige Muster und die atomaren Abstände in Subwellenlänge beide ein diffuses Streuen des Lichts und bündeln die Reflexion stattdessen in einen gerichteten und stetigen Lichtstrahl. Auf der anderen Seite sorgt der vergleichsweise geringe, aber diskrete Abstand zwischen den Atomen dafür, dass ein einfallendes Photon mehr als einmal zwischen den Atomen hin- und her prallt, bevor es zurückreflektiert wird. Beide Effekte – die unterdrückte Brechung des Lichts und das Hin- und Her-Federn der Photonen – führen zu einer „verstärkten kooperativen Antwort an das externe Feld“, so die Forscher – in anderen Worten: es gibt eine sehr starke Reflektion.

Mit einem Durchmesser von ungefähr sieben Mikrometern ist der Spiegel selbst viel zu klein, als dass man ihn mit dem bloßen Auge sehen könnte. Der Apparat, in dem der Spiegel gebaut wird, hingegen, ist enorm groß. Ganz im Stile anderer quantenoptischer Experimente besteht er aus mehr als tausend einzelnen optischen Komponenten und wiegt in etwa zwei Tonnen. Das neuartige Material wird also kaum Einfluss auf die handelsüblichen Spiegel nehmen, die Menschen im Alltag verwenden.

Der wissenschaftliche Einfluss ist da weitaus größer. „Die Ergebnisse sind für uns sehr aufregend, denn einerseits wurden Photonen-vermittelte Korrelationen zwischen den Atomen, so wie sie für unseren Spiegel eine grundlegende Rolle spielen, in der Quantenoptik oft vernachlässigt“, erklärt Jun Rui, Erstautor der Arbeit. „Auf der anderen Seite hat man solche geordneten Arrangements von Atomen, die wir mithilfe von ultrakalten Atomen in optischen Gittern erschaffen, hauptsächlich benutzt, um Modelle im Bereich der kondensierten Materie mithilfe von Quantensystemen zu simulieren. Jetzt zeigt sich, wie leistungsfähig diese Plattform auch für die Erforschung neuer quantenoptischer Phänomene ist.“

Weitere Arbeiten könnten nun helfen, die Grundlagen von Licht-Materie-Wechselwirkungen weiter aufzuschlüsseln, die Untersuchung der Vielteilchenphysik mit optischen Photonen zu verbessern oder effizientere Quanten-Apparate wie bessere Quantenspeicher und einen quantenschaltbaren optischen Spiegel zu bauen. Es wären bedeutende Fortschritte auf dem Weg zur Quanteninformationsübertragung. (MPQ/LMU)Nature, 2020.