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Glasfaser Eine ultradünne Glasfaser, die Atome zählt

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Eine extrem empfindliche und auf ultradünnen Glasfasern basierende Methode, die Atome hochempfindlich detektiert, wurde an der Technischen Universität (TU) Wien entwickelt. Die Forscher erwarten sich von der neuen Methode wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Sensoren und die quantenphysikalische Grundlagenforschung.

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Visualisierung der Glasfaser: Die Lichtwelle im Inneren ragt aus der Faser heraus und wird durch die Atome beeinflusst, die oben und unten knapp außerhalb der Glasfaser angelagert sind. (Bild: TU Wien)
Visualisierung der Glasfaser: Die Lichtwelle im Inneren ragt aus der Faser heraus und wird durch die Atome beeinflusst, die oben und unten knapp außerhalb der Glasfaser angelagert sind. (Bild: TU Wien)

Wien/Österreich – Glasfaserkabel sind heute unverzichtbare Informationsleitungen für das Internet – nun dienen sie auch als Quanten-Labor. Das Atominstitut der TU Wien ist nach eigenen Angaben derzeit die einzige Forschungseinrichtung weltweit, an der einzelne Atome kontrolliert an das Licht in ultradünnen Glasfasern angekoppelt werden können. Spezielle Lichtwellen werden so präpariert, dass sie schon auf eine kleine Anzahl von Atomen sensibel reagieren. Damit lassen sich hochempfindliche Detektoren bauen, mit denen man winzige Stoffmengen nachweisen kann.

Ultradünne Glasfasern

Die Glasfasern, die das Team um Professor Arno Rauschenbeutel am Vienna Center for Quantum Science and Technology, für seine Experimente verwendet, sind nur fünfhundert Millionstel eines Millimeters dick – und damit dünner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. „Die Lichtwelle passt also eigentlich nicht vollständig in die Glasfaser, sie reicht noch ein Stück aus der Glasfaser heraus“, erklärt Rauschenbeutel. Genau darin liegt der große Vorteil: Die Lichtwelle registriert Atome, die sich außen in der Nähe der Glasfaser befinden. „Zuerst fangen wir Atome ein, sodass sie sich knapp oberhalb und unterhalb an der Glasfaser aufreihen, wie Perlen einer Kette“, erzählt Rauschenbeutel. Die Lichtwelle, die durch die Glasfaser geschickt wird, kommt dann mit jedem einzelnen der Atome in Kontakt. Wenn man genau misst, wie sich die Lichtwelle verändert, lässt sich herausfinden, wie viele Atome sich angelagert haben.

Atome ändern die Geschwindigkeit des Lichts

Meist gehen auf der mikroskopischen Ebene sehr folgenschwere Prozesse vor sich, wenn man in der Quantenphysik Atome und Licht untersucht: Lichtteilchen können von den Atomen absorbiert und später in eine andere Richtung wieder ausgesandt werden, Atome werden dadurch beschleunigt und von ihrem Ursprungsort weggeschleudert. Bei den Glasfaser-Experimenten an der TU Wien reicht allerdings eine vergleichsweise sanfte Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen aus: „Durch die Atome an der Glasfaser bewegt sich die Lichtwelle nicht mehr so schnell wie sonst, sondern etwas langsamer“, erklärt Arno Rauschenbeutel. Wenn die Lichtwelle genau nach oben und unten in Richtung der Atome schwingt, werden Wellenberge und Wellentäler dadurch ein kleines bisschen verschoben. Eine andere Lichtwelle, in deren Schwingungsebene keine Atome liegen, wird hingegen kaum verzögert. Man sendet also Lichtwellen unterschiedlicher Schwingungsrichtung durch die Glasfaser und misst ihre relative Verschiebung aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Kennt man diese Verschiebung, dann weiß man auch, von wie vielen Atomen das Licht verzögert wurde.

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