Plasmonen als mögliche Quantenschnittstelle

Die Dichte der freien Elektronen im Metall kann quantisierte Wellen ausführen, die Physiker als Plasmon bezeichnen. Forschern um Christian Stehle von der Universität Tübingen ist es gelungen, die Fluoreszenz von ultrakalten Atomen gezielt in Oberflächenplasmonen zu lenken. Die Ergebnisse können nützen um in den Atomen gespeicherte Quanteninformation auszulesen, so die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Im Experiment kühlten Stehle und seine Kollegen Rubidiumatome bis auf ein millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab und brachten sie auf wenige Hundert Nanometer an eine Goldoberfläche heran. Die Atome schwebten hierbei, von magnetischen Feldern gehalten, in einem Vakuum. Sie wurden durch einen Laser zu Fluoreszenz angeregt. Unter diesen Bedingungen strahlen die Atome ihr Licht bevorzugt in die Oberflächenplasmonen ab. „Dieser Prozess läuft sehr effizient ab, wir sprechen auch von einer hohen Kooperativität der Atome“, erklärt Koautor Sebastian Slama von der Universität Tübingen. Ähnlich ringförmigen Wellenbergen auf einer Wasseroberfläche, liefen die Plasmonen ein Stück an der Goldoberfläche bevor sie abklangen. Über dabei ins Goldinnere abgestrahlte Photon konnten die Forscher das Plasmon nachweisen und so auf seine Eigenschaften rückschließen.

In den Experimenten habe sich die Kopplung von Licht und Materie zudem einfacher realisieren lassen als bei alternativen Verfahren mit optischen Resonatoren. Statt der wenigen vereinzelten Energien, auf die ein Resonator anspricht, reagieren die Plasmonen nämlich auf ein breiteres Spektrum des eingestrahlten Lichts.

Da die Wechselwirkung in diesem Fall auf der Ebene einzelner Lichtquanten kontrolliert abläuft, können die Ergebnisse zur Konstruktion von Transistoren beitragen, die auf einem einzelnen Photon beruhen. 

Solche Transistoren sind unter anderem zum Bau eines Quantencomputers wichtig. 

„Die neu entwickelte Methode kann künftig genutzt werden, um Quanteninformationen, die im Atom gespeichert wurden, möglichst verlustfrei auszulesen und weiterzuverarbeiten“, so Slama