Dieser optische Spiegel teilt viele Eigenschaften mit seinem klassischen Pendant. So ist insbesondere der Reflexionsgrad festgelegt und kann nicht kontrolliert werden. Ähnlich zum Schalter an einer Kaffeemaschine, mit dem man die Maschine an- („1“) und ausschalten („0“) kann, haben die Physiker damit einen Mechanismus entwickelt, der es erlaubt, die optischen Eigenschaften des Metamaterials bei Bedarf von reflektierend auf transparent umzuschalten. In der klassischen Welt kann man dieses neuartige Material mit einem Fenster vergleichen, das sich durch das Umlegen eines Schalters plötzlich in einen perfekten Spiegel verwandelt.

Wenn man den Schalter betätigt, ändern sich die optischen Eigenschaften. Auf der linken Seite ist der optische Spiegel ausgeschaltet und die Anordnung der Atome ist transparent (T). Rechts ist der optische Spiegel eingeschaltet und reflektiert die eintreffenden Photonen (R), wie im oberen Bild durch den orangefarbenen Kreis verdeutlicht. Bild: Kritsna Srakaew et al.

Genau genommen haben die Quantenoptiker einen Schalter entwickelt, der aus nur einem einzelnen Atom besteht - dem kleinstmöglichen Schalter. Dieser „Hebel“ befindet sich in der Mitte des optischen Spiegels, der geordneten atomaren Struktur. Sein Mechanismus beruht auf dem Energiezustand des Atoms, der mit Laserlicht manipuliert wird: Je nachdem, in welchem Energiezustand sich der Quantenschalter befindet, wird der optische Spiegel entweder reflektierend oder transparent wie ein Fenster.

„Die Ergebnisse sind spannend. Einzelne Photonen zu dirigieren ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die in der Regel mit Verlusten oder starken Einschränkungen verbunden ist. Atomare Anordnungen haben das Potenzial, beide Herausforderungen zu meistern“, erklärt Pascal Weckesser, Postdoktorand und Zweitautor. Er fügt hinzu: „Es ist faszinierend, einzelne Photonen zu kontrollieren, indem man sie entweder in die eine oder in die andere Richtung sendet, zumal wir dazu nur ein einziges Atom manipulieren."

Darüber hinaus untersucht die Arbeit auch einige wichtige Quanteneigenschaften. In dem Experiment kann sich der Schalter nicht nur in den beiden Grenzeinstellungen „0“ und „1“ befinden, sondern auch auf einen Zwischenzustand eingestellt werden. Für diese Einstellungen gibt es keine klassischen Pendants, da der Spiegel nun quasi gleichzeitig reflektiert und transparent ist.