Gespiegelt an nur einem Atom

Einer der grundlegendsten Prozesse in der Quantenoptik ist die Kopplung eines einzelnen Atoms an ein einzelnes Lichtquant, das Photon. Wenn ein Lichtstrahl auf ein einzelnes Atom gerichtet wird, passieren die Photonen im Lichtstrahl das Atom normalerweise unbeeinflusst. Das ist eine Folge der schwachen Licht-Materie-Kopplung. Diese Kopplung zu verstärken ist deshalb eine der großen Herausforderungen der modernen Quantenoptik. Jetzt haben Quantenoptiker um Prof. Immanuel Bloch und Dr. Johannes Zeiher am MPQ einen neuen Weg aufgezeigt, um starke Licht-Materie-Kopplung bis hin zu einzelnen Photonen zu erzeugen, indem sie eine definierte und kontrollierte Anordnung von vielen Atomen realisierten.

Die Forscher ordneten Rubidium-Atome in einem zweidimensionalen Muster an. Die Abstände zwischen den Atomen sind kleiner als die Wellenlänge eines einfallenden Photons: „Wir wollen, dass die Atome in diesem geringen Abstand zueinander angeordnet sind, weil sie dann „kooperativ“ wirken. Das bedeutet, dass die gesamte atomare Anordnung die Eigenschaften von einzelnen Atomen aufweist, aber mit einer viel stärkeren Licht-Materie-Kopplung“, erklärt Kritsana Srakaew, Doktorand und Erstautor der Arbeit. Die verstärkte Licht-Materie-Kopplung führt dazu, dass auch ein einzelnes Photon, das ein einzelnes Atom normalerweise passieren würde, effizient reflektiert wird. Der Mechanismus erlaubt es gleichzeitig, aus nur einer einzigen Schicht von Atomen den leichtesten Spiegel der Welt zu konstruieren.