Künstliches Atom wechselwirkt mit Schallwellen

Atome können Lichtteilen mit einer genau festgelegten Energie absorbieren, werden dadurch angeregt und geben diese Energie anschließend auch wieder in Form eines Photons ab. Wissenschaftlern der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden ist es nun gelungen, nicht mithilfe von Licht, sondern mit Schallwellen mit einem künstlichen Atom zu kommunizieren. Diese Entdeckung eröffne neue Möglichkeiten in der Informationsverarbeitung, berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science“.

Das künstliche Atom in Nahhaufnahme

Als künstliches Atom verwendeten die Wissenschaftler einen winzigen Schaltkreis mit besonderen Eigenschaften: Ganz ähnlich wie ein Atom kann auch dieser Schaltkreis nur ganz bestimmte Energiepakete absorbieren und anschließend auch wieder aussenden. Diese Energie führten Martin Gustafsson und seine Kollegen nun in Form akustischer Oberflächenwellen zu. Das sind Schallwellen, die sich nicht durch einen Körper oder ein Medium bewegen, sondern sich lediglich auf der Oberfläche ausbreiten. Im Experiment diente dazu die Oberfläche eines Mikrochips, auf dem der Schaltkreis und die Schallquelle aufgebracht waren.

Analog zu den Photonen – den Quanten des Lichts – lassen sich für Schwingungen in einem Festkörper sogenannte Phononen oder Schallquanten definieren: Diese kleinen Schallwellenpakete bewegen sich über den Mikrochip, indem sie dessen Oberflächenatome zu Schwingungen anregen. In ihrer Studie verwendeten die Wissenschaftler Phononen mit einer Geschwindigkeit von rund 2900 Metern pro Sekunde und einer Frequenz von knapp fünf Gigahertz. Anschließende Messungen ergaben: Sobald die Phononen das künstliche Atom erreicht hatten, konnten sie dieses tatsächlich anregen. Das Atom absorbierte die Schallwellen und sendete anschließend auch selbst wieder Phononen aus.

Das Experiment zeigt nicht nur, dass es möglich ist, künstliche Atome durch Schallwellen anzuregen, sondern auch, wie ähnlich sich Photonen und Phononen verhalten können. Darüber hinaus eröffnet es neue Möglichkeiten im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung, die bislang fast ausschließlich auf der Wechselwirkung von Atomen mit elektromagnetischer Strahlung basiert. Denn während sich diese Strahlung immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, sind die Phononen etwa hunderttausendmal langsamer.