Es wurde ein Gerät entwickelt, das die Kopplung elektromagnetischer und mechanischer Schwingungen ermöglicht und als optisches Analogon eines Transistors fungiert, bei dem ein Lichtstrahl mit Hilfe eines anderen gesteuert werden kann.
In einer am 11. November in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie gaben Forscher der Eidgenössischen Polytechnischen Schule Lausanne in der Schweiz und des Max-Planck-Instituts in Deutschland die Entdeckung einer Methode zur Kopplung von Photonen und mechanischen Schwingungen (Phononen) bekannt, die dies könnte auf dem Gebiet der Quantenkommunikation und der Informationstechnologien nützlich sein.
Professor Tobias Kippenberg und sein Team haben ein Gerät gebaut, mit dem man einen Lichtstrahl, der durch einen optischen Mikroresonator geht, mit einem anderen Strahl steuern kann. Das Gerät fungiert als optisches Analogon eines Transistors, bei dem ein Strahlungsstrahl (stärker) die Intensität des anderen beeinflusst.
Der optische Mikroresonator hat zwei Hauptmerkmale. Erstens "fängt" es Licht in einer winzigen Siliziumoxidstruktur ein und lenkt es in einem kreisförmigen Muster. Zweitens schwingt diese Struktur wie ein Glas in einer genau definierten Frequenz. Die Größe des Donuts, montiert auf einem „Ständer“aus Silikon, ist ein Bruchteil des Durchmessers eines menschlichen Haares, und seine Vibrationsfrequenz ist 10.000-mal höher als die eines Glases.
Wenn Licht auf das Gerät trifft, wird ein Strahlungsdruck erzeugt, der durch den Resonator stark verstärkt wird. Der erhöhte Druck verformt den Donut und verändert die Frequenz seiner Schwingungen. Die Beziehung zwischen Photonen und Phononen führt dazu, dass ein stärkerer Laserstrahl durch Ändern der Parameter des Systems einen schwächeren „einsch alten“oder „aussch alten“kann, so wie ein elektrisches Signal in einem Transistor ein anderes steuern kann.
„Die theoretische Möglichkeit dieses Effekts ist uns seit mehr als zwei Jahren bekannt“, erklärt Albert Schliesser vom Max-Planck-Institut. „Aber es war nicht einfach, es in die Praxis umzusetzen.“
Die Anwendung eines Effekts namens OMIT (Optomechanisch induzierte Transparenz) kann völlig neue Funktionalitäten der Photonik erschließen. Zum Beispiel die Entwicklung von optischen Puffern, die optische Informationen für mehrere Sekunden speichern können. Aus Sicht der Grundlagenforschung bietet das entwickelte Gerät eine Möglichkeit, ein optisch-mechanisches System auf Quantenebene zu steuern, das als Schnittstelle in hybriden Quantensystemen fungiert – eine Aufgabe, an der viele Forscher weltweit arbeiten.
