Wissenschaftler machen Eisen durchsichtig

  • Die Vielfachbilder zweier Objekte zwischen zwei parallelen Spiegeln illustrieren das Prinzip der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Atomkernen: Lässt man Röntgenstrahlen zusammen mit zwei Eisenschichten in so einem Spiegelsystem (Optischer Resonator) miteinander wechselwirken, so entsteht ein quantenmechanischer Überlagerungszustand aus dem Eisen und seinen Spiegelbildern, der die Atomkerne des Eisens durchsichtig erscheinen lässt. Foto: DESYDie Vielfachbilder zweier Objekte zwischen zwei parallelen Spiegeln illustrieren das Prinzip der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Atomkernen: Lässt man Röntgenstrahlen zusammen mit zwei Eisenschichten in so einem Spiegelsystem (Optischer Resonator) miteinander wechselwirken, so entsteht ein quantenmechanischer Überlagerungszustand aus dem Eisen und seinen Spiegelbildern, der die Atomkerne des Eisens durchsichtig erscheinen lässt. Foto: DESY

Am DESY wird Eisen transparent gemacht. Einem Team von Wissenschaftlern um Dr. Ralf Röhlsberger gelang es an der hochbrillanten Synchrotronlichtquelle PETRA III, Eisenkerne mit Hilfe von Röntgenlicht durchsichtig erscheinen zu lassen. Sie entdeckten dabei gleichzeitig ein neues Prinzip, um einen optisch gesteuerten Schalter für Licht herzustellen, also Licht mit Licht zu beeinflussen, ein wichtiger Baustein auf dem Weg zu leistungsfähigen Quantencomputern. Die Forschungsergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals „Nature" präsentiert.

Der Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) ist aus der Laserphysik bekannt. Durch die Einstrahlung von intensivem Laserlicht kann man ein normalerweise undurchsichtiges Material für Licht einer bestimmten Wellenlänge transparent machen. Dieser Effekt entsteht durch ein komplexes Wechselspiel des Lichtes mit der Elektronenhülle der Atome. Die Helmholtz-Forscher um Röhlsberger wiesen jetzt erstmals an der Röntgenquelle PETRA III bei DESY nach, dass es so einen Transparenzeffekt auch für Röntgenlicht gibt, hier hervorgerufen durch die Anregung von Atomkernen des Mössbauer-Isotops Eisen-57 (welches zu 2% im natürlichen Eisen enthalten ist). Im Gegensatz zu herkömmlichen Experimenten brauchten sie dafür nur sehr geringe Lichtintensitäten.

Wie funktioniert das Experiment?

Die Forscher platzierten für ihre Experimente zwei dünne Schichten von Eisen-57 Atomen in einem optischen Resonator, einer Anordnung zweier paralleler Platinspiegel, zwischen denen Röntgenlicht mehrfach hin und her reflektiert wird. Die beiden jeweils etwa drei Nanometer dicken Schichten von Eisen-57-Atomen wurden zwischen den beiden Platinspiegeln durch Kohlenstoff, der für Röntgenlicht der verwendeten Energie durchlässig ist, präzise in Position gehalten. Das so hergestellte Sandwich aus dünnen Schichten, das nur rund 50 Nanometer dick ist, beleuchteten die Forscher unter sehr kleinen Einfallswinkeln mit einem äußerst dünnen Röntgenstrahl der Synchrotronlichtquelle.

Das Licht wird innerhalb dieses Spiegelsystems etliche Male hin- und her reflektiert und bildet eine stehende Welle, eine sogenannte Resonanz. Stehen die Wellenlänge des Lichts und die Abstände der beiden Eisenschichten in diesem optischen Resonator im richtigen Verhältnis zueinander, können die Forscher beobachten, dass das Eisen für das Röntgenlicht fast vollständig durchsichtig wird. Dafür muss eine Eisenschicht genau im Minimum (Knoten) der Lichtresonanz liegen, die zweite genau im Maximum. Verschiebt man die Schichten innerhalb des Resonators, wird das System sofort wieder undurchsichtig. Die Forscher machen für diese Beobachtung einen quantenoptischen Effekt verantwortlich, der durch das Zusammenspiel der Atome in den Eisenschichten hervorgerufen wird. Anders als bei einzelnen Atomen absorbieren und strahlen hier die Atome einer Schicht gemeinsam im Ensemble. Die Schwingungen der Eisenatome in den beiden Schichten kompensieren sich dabei gegenseitig, so dass das eingestrahlte Licht ungehindert passieren kann: Das Eisen erscheint durchsichtig. Im Gegensatz zu bisherigen Experimenten sind nur wenige Lichtquanten erforderlich, um diesen Effekt hervorzubringen.

Diese Transparenz belegt quasi den EIT-Effekt im Atomkern. Eine Nutzung in einem Lichtquanten-Computer liegt zwar noch fern aber mit der Entdeckung dieses Effekts ergeben sich neue Klassen von quantenoptischen Experimenten mit höchster Empfindlichkeit. Mit dem entstehenden Röntgenlaser European XFEL könnte es möglich werden, Röntgenlicht mit Röntgenlicht zu steuern.

Fortschritt für das Quanten-Computing

Doch auch das Quanten-Computing ist durch dieses Experiment einen deutlichen technischen Schritt vorangekommen: Neben der prinzipiellen Möglichkeit, Material mit Hilfe von Licht transparent zu machen, ist für eine spätere technische Umsetzung auch die Intensität des Lichts entscheidend. Jedes zusätzliche Lichtquant im Computer bedeutet zusätzliche Abwärme, die durch die Nutzung des jetzt entdeckten Effekts minimiert würde.

Zur Weiterführung der Experimente und optimalen Ausnutzung der winzigen Röntgenstrahlgröße der hochbrillanten Röntgenquelle wird zurzeit eine neue Beschichtungsanlage zur Herstellung und Optimierung dieser Art optischer Resonatoren installiert.

In den Experimenten der Wissenschaftler zeigte sich außerdem eine weitere Parallele zum EIT-Effekt: Das im optischen Resonator gefangene Licht breitet sich nur noch mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde aus - normalerweise sind es knapp 300 000 Kilometer pro Sekunde. Wie langsam das Licht in diesem Fall wirklich wird, und ob man diesen Effekt ebenfalls wissenschaftlich nutzen kann, wollen die Forscher in Folgeexperimenten klären. Eine mögliche Anwendung und gleichzeitig ein wichtiger Baustein auf dem Weg zum optischen Quantencomputer ist beispielsweise die Speicherung von Informationen in Form extrem langsamer oder gar gestoppter Lichtpulse.

Originalliteratur:
Röhlsberg R. et al.: Electromagnetically induced transparency with resonant nuclei in a cavity, Nature 482, p. 199.

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