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Vom klassischen Laser zum "Quantenlaser" |  | [2010-03-28] Einer Forschergruppe um Rainer Blatt und Piet Schmidt ist es gelungen, einen Laser mit einem einzelnen Atom zu realisieren, der sowohl die Eigenschaften eines klassischen Lasers zeigt, als auch die quantenmechanische Natur der Atom-Photon-Wechselwirkung. Ihre Ergebnisse präsentieren die Forscher nun in der Fachzeitschrift Nature Physics. | Bild: C. Lackner | Vor 50 Jahren wurde der erste Laser entwickelt. Heute sind die
künstlich gerichteten Lichtstrahlen aus unserem Alltag nicht mehr weg
zu denken. Laser sind zentraler Bestandteil einer Vielzahl von Geräten
mit Anwendungen in Telekommunikation, Medizin, Haushalt und Forschung.
Ein Laser besteht üblicherweise aus einem Verstärkungsmedium, das
elektrisch oder optisch gepumpt wird und von einem Spiegelresonator
umgeben ist. Das Licht im Resonator wird in Form sogenannter
Schwingungsmoden hin- und herreflektiert und dabei in seiner Intensität
überhöht und durch das Medium verstärkt. Eines der markantesten
Merkmale eines klassischen Lasers ist der sprunghafte Anstieg der
Ausgangsleistung beim Erreichen der sogenannten Schwellpumpleistung,
bei der die Verluste bei einem Umlauf des Lichts im Resonator durch die
Verstärkung im Medium gerade ausgeglichen werden. Ursache dieses
Verhaltens ist ein Selbstverstärkungseffekt der Wechselwirkung des
Lichts mit den Atomen: Je mehr Photonen in einer Schwingungsmode
bereits vorhanden sind, desto größer ist die Verstärkung des Lichts in
dieser Mode. Üblicherweise tritt dieser Effekt bei makroskopischen
Lasern mit vielen Atomen und vielen Photonen auf.
Den Innsbrucker Forschern ist es nun gelungen, den Beginn dieses
verstärkenden Schwellverhaltens bei dem kleinstmöglichen Grundbaustein
eines Lasers nachzuweisen: einem einzelnen Atom, das mit einer
einzelnen Mode in einem optischen Resonator wechselwirkt. Dazu wurde
ein Calcium-Ion in einer Ionenfalle eingefangen und mit Hilfe von
externen Lasern angeregt. Zwei, das Ion umgebende Spiegel formen einen
optischen Resonator mit hoher Güte, der die vom Ion emittierten
Photonen in einer Mode einfängt und speichert. Das Ion wird durch die
externen Laser zyklisch angeregt und fügt der Resonatormode bei jedem
Zyklus ein Photon hinzu, was zu einer Verstärkung des Lichts führt.
Bei starker Kopplung des Ions an die Resonatormode verhält sich das
System aus Atom und Resonator quantenmechanisch: Es können immer nur
einzelne Photonen in den Resonator eingebracht werden. „Damit kann es
zu keiner Selbstverstärkung und auch zu keinem Schwellverhalten
kommen“, erklärt François Dubin, französischer Postdoc und Erstautor
der Veröffentlichung. Dieser „Quantenlaser“ wurde bereits vor einigen
Jahren in einem ähnlichen System demonstriert. Clou des Innsbrucker
Experiments ist die einstellbare Kopplung des Atoms an der
Resonatormode. Durch geeignete Wahl der Parameter des Anregungslasers
konnten die Physiker der Universität Innsbruck eine stärkere Anregung
erreichen und dadurch mehr Photonen in den Resonator einbringen. Obwohl
im Mittel immer noch weniger als ein Photon im Resonator vorhanden war,
konnten Selbstverstärkungseffekte in Form eines Schwellverhaltens
beobachtet werden. „Ein einzelnes Atom ist ein sehr schwacher
Verstärker. Daher ist das Schwellverhalten nicht so stark ausgeprägt
wie bei einem klassischen Laser“, erläutert Piet Schmidt die Ergebnisse.
Eine noch stärkere Anregung führt im Gegensatz zum klassischen Laser
nicht zu einer höheren Ausgangsleistung, sondern aufgrund
quantenmechanischer Interferenzen zum Verlöschen des Lasers. Dies
stellt eine fundamentale Einschränkung für Miniaturlaser bestehend aus
wenigen Atomen dar. Die Innsbrucker Forscher wollen daher nun den
Übergang vom Quantenlaser zum klassischen Laser durch kontrolliertes
Hinzufügen von weiteren Atomen genauer untersuchen.
Unterstützt wurden die Arbeiten vom österreichischen Wissenschaftsfonds
FWF, der Europäischen Kommission und der Industriellenvereinigung Tirol.
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