Quanten-Sprünge zwischen Top-Universitäten

12. Jul 2013  — Von der TU Wien ans MIT und wieder zurück: Das Doktoratsprogramm CoQus ermöglicht Aufenthalte an ausländischen Spitzenunis. Welchen Erfolg das bringen kann, zeigt eine aktuelle Science-Publikation.


Quanten-Sprünge zwischen Top-Universitäten

© TU Wien


Die Quantenphysik-Forschung in Wien genießt einen international hervorragenden Ruf – so ist es nur logisch, dass sich das Doktoratsprogramm CoQus (Complex Quantum Systems), betrieben von der TU Wien und der Universität Wien, Kontakte zu einigen der weltweit besten Forschungsgruppen pflegt. Durch Austausch von Doktoratsstudierende („Secondments“) wird jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit gegeben, wertvolle Auslandserfahrung zu sammeln. Robert Bücker verbrachte drei Monate am MIT (Cambridge, USA) um dort an optischen Transistoren zu arbeiten. Die Ergebnisse dieses erfolgreichen Projekts wurden nun im Fachjournal „Science“ publiziert.

Vom Elektrischen zum Optischen
Der Transistor ist der fundamentale Baustein der modernen Mikroelektronik: Er lässt Strom zwischen Ein- und Ausgang genau dann passieren, wenn zusätzlich am dritten Arm des Transistors eine geringe Spannung angelegt wird. Stromfluss wird also durch Strom ein- und ausgeschaltet.

Gemeinsam mit Forschungsteams des MIT und der Harvard University arbeitete Robert Bücker daran, dieses Konzept vollständig von der Elektronik in die Optik zu übertragen: Ein optischer Transistor soll einen Lichtstrahl durchlassen oder blockieren – und zwar abhängig davon, ob weitere Lichtteilchen in den optischen Transistor geschickt werden. Im Extremfall kann ein einzelnes Photon darüber entscheiden, ob der optische Transistor durchsichtig ist und den Lichtstrahl passieren lässt, oder ob ein großer Teil des Lichtes reflektiert wird.

Cäsium und Spiegel
„Wir verwendeten dafür einen optischen Resonator“, erklärt Robert Bücker. „Das ist ein System aus zwei Spiegeln, positioniert in einem Abstand, der genau auf die Wellenlänge des verwendeten Lichts abgestimmt ist.“ Das Licht, das von einer Seite in den Bereich zwischen den Spiegeln eindringt, kann viele Male hin und her reflektiert werden. Dabei überlagern sich die Photonen mit sich selbst und verstärken sich. Ein starkes Licht-Feld zwischen den Spiegeln entsteht, bis die Photonen schließlich auf der gegenüberliegenden Seite den Resonator verlassen.

Zwischen den beiden Spiegeln befinden sich Cäsium-Atome, die unterschiedliche elektronische Zustände einnehmen können. Zunächst werden diese Atome in einen Zustand gebracht, in dem sie mit dem durchgesendeten Licht nicht wechselwirken – der Lichtstrahl gelangt vollständig durch das System. „Wenn man aber ein einzelnes Photon einer passenden Wellenlänge in den Resonator zwischen den Spiegeln schickt, dann kann dadurch der Zustand der Cäsium-Atome verändert werden. Plötzlich kommt es zu einer Wechselwirkung mit dem Lichtstrahl kommt, und die Lichtdurchlässigkeit des Systems verringert sich auf ein Fünftel“, erklärt Robert Bücker.

Optische Transistoren: Unterschiedliche Varianten
Die Herstellung von optischen Resonatoren ist ein langgehegter Traum in der Quantenphysik: Solche Bauteile könnten für künftige Computer-Generationen höchst interessant sein und uns möglicherweise dem Quanten-Computer einen Schritt näherbringen. Erst kürzlich konnte die TU Wien einen optischen Transistor präsentieren. Dieses Modell funktioniert für einen breiten Bereich an Wellenlängen im Terahertz-Bereich, allerdings wird dort das Licht durch elektrische Spannung ein- und ausgeschaltet. Die Variante, die Robert Bücker am MIT mitentwickelte, ist deutlich komplizierter und funktioniert nur mit einer bestimmten Wellenlänge – doch dafür wird hier auch das Ein- und Ausschalten von Lichtteilchen übernommen. Elektrische Ströme spielen hier also gar keine Rolle mehr.

Mitmachen an der internationalen Spitze
Für Robert Bücker war die Beteiligung an einem so aufsehenerregenden Experiment ein wichtiger Schritt in seiner wissenschaftlichen Karriere: „Die Secondments, die vom CoQuS-Kolleg organisatorisch und finanziell ermöglicht werden, tragen ganz entscheidend zur hervorragenden internationalen Vernetzung der Wiener Quantenphysik-Szene bei“, betont Bücker. Auch einige andere CoQuS-AbsolventInnen knüpften dadurch bereits wertvolle Kontakte ins Ausland – etwa an Universitäten in Stuttgart, Florenz, Paris oder Princeton.