Highlight in der Quantenphysik

Licht leuchtet durch lichtundurchlässige Materie – wenn bestimmte Bedingungen geschaffen werden. Mit dem Nachweis einer zusätzlichen Bedingung erweitern Wissenschaftler der Technischen Universität Graz die Möglichkeiten der Steuerung revolutionärer optischer Bauelemente durch Licht.

Das vom Wissenschaftsfonds FWF geförderte Projekt beweist die experimentelle Umsetzbarkeit eines bisher nur theoretisch berechneten Effektes. Die Reihe internationaler Erfolgsmeldungen aus der österreichischen Quantenphysik wird damit beeindruckend fortgesetzt – ein Erfolg, der auch dank anhaltender Unterstützung durch den FWF ermöglicht wurde.

Materialien „schlucken“ (absorbieren) Licht, wenn deren Elektronen auf die Schwingungsfrequenz der Lichtwellen reagieren. Die Energie des eingestrahlten Lichts wird dabei vom Material in Bewegungsenergie umgewandelt. Wird diese Schwingung der Elektronen aber verhindert, dann läuft das Licht ungehindert weiter – das Material wird transparent.

„Eine Möglichkeit die Schwingungen zu verhindern, ist das gleichzeitige Einstrahlen von zwei unterschiedlichen Laserstrahlen. Jeder Strahl für sich kann absorbiert werden, aber die simultane Einstrahlung beider Strahlen bringt die Atome des Materials in einen Zustand, in dem die Elektronen schließlich weder auf die Schwingung der ersten noch der zweiten Lichtwelle reagieren können“, erklärt Prof. Laurentius Windholz vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz.

Dieser Effekt wird „Elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT)“ genannt und ist von der Frequenz (bzw. Farbe) und der Intensität der Lichtwellen abhängig. Für bestimmte Fälle war bisher berechnet worden, dass auch die Phasen der Lichtwellen – also die relative Lage der Wellentäler und -spitzen zueinander – diesen Effekt beeinflussen können. Nun gelang dem Team um Prof. Windholz erstmals auch der experimentelle Beweis.

Die Forscher untersuchten Systeme, bei denen drei oder vier Laserstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz eingesetzt wurden. Das Laserlicht wurde auf eine mit Natrium-Dampf gefüllte Zelle gestrahlt, die das Licht für gewöhnlich bei einer Wellenlänge von 596 nm absorbiert. Diese Absorption konnte nun durch gleichzeitiges Einstrahlen von vier Laserstrahlen mit geringen Frequenzunterschieden deutlich vermindert werden. Zusätzlich konnte Prof. Windholz belegen, dass der Effekt von den Phasen der Lichtwellen abhing.

„Wir untersuchen hier sehr grundlegende Aspekte einer noch zu entwickelnden Technologie“, erläutert Prof. Windholz seine Arbeit. „Wenn wir in Zukunft Bauteile in der Optoelektronik durch rein optische und damit schnellere Elemente ersetzen wollen, müssen wir die Wechselwirkungen von Licht mit Materie noch besser verstehen. So könnte die von den Lichtphasen abhängige Elektromagnetisch induzierte Transparenz z.B. elektrische Schaltelemente, wie sie in Computer-Chips verwendet werden, revolutionieren und durch schnellere optische Schalter ersetzen.“

Das Projekt von Prof. Windholz reiht sich in eine Serie von Erfolgsmeldungen ein, die in den letzten Monaten den international hervorragenden Ruf der österreichischen Quantenphysik bestätigen: Zwei Titelgeschichten während der letzten neun Monate im britischen Wissenschaftsmagazin „Nature“*, sowie die Berufung des österreichisch-ungarischen Physikers Ferenc Krausz auf den Direktorstuhl des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Deutschland.

Dr. Laurenz Niel, Physiker und Leiter der Abteilung Öffentlichkeitsarbeit des FWF, sieht diese Erfolge auch als Bestätigung der strengen Auswahlkriterien des Wissenschaftsfonds. Die Qualität der Forschung steht dabei an oberster Stelle: „Wir haben in den letzten drei Jahren über 45 Projekte im Bereich Quantenphysik gefördert. Natürlich freuen wir uns – und sind ein bisschen stolz -, dass diese Unterstützung den international hervorragenden Ruf eines interessanten Bereiches der österreichischen Grundlagenforschung weiter verbessert.“

Kontakt:

A.o. Univ.-Prof. Dr. Laurentius Windholz
Institut für Experimentalphysik
Technische Universität Graz
Petersgasse 16
8010 Graz, Austria
Telefon: +43-316-873-8144
E-Mail: windholz@tugraz.at