Qubit-Experiment: Physiker manipulieren Lichtemission auf atomarer Ebene

Berkeley (USA) - Farbe und Intensität von Laserstrahlen hängen direkt mit der elektronischen Struktur der verwendeten Materialien zusammen. Sowohl der Abstand der Energieniveaus als auch die Lebensdauer angeregter Zustände spielen dabei entscheidende Rollen. Waren diese Eigenschaften bisher fest mit den Materialien verknüpft, konnten nun amerikanische Wissenschaftler die Aussendung von Licht auf atomarer Ebene durch äußere Versuchsbedingungen manipulieren. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie die Lebensdauer von strahlenden Übergängen deutlich verlängern. Von einer technischen Anwendung sind die beobachteten Phänomene zwar noch sehr weit entfernt, doch könnten sie weiter entwickelt zu grundlegenden Fortschritten bei Lasern oder winzigen Leuchtdioden führen.

„Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial, dass sich jede spontane Emission nach Wunsch maßschneidern lassen könnte. Dies könnte sich auf die weitere Entwicklung von Lasern über Nano-Leuchtdioden bis hin zur Fluoreszenz-Mikroskopie auswirken“, sagt Kater Murch von der University of California in Berkeley. Da ihr Experiment mit bisher verfügbaren Methoden nicht mit realen Atomen durchführbar war, konstruierten sie eine Art künstliches Atom mit vergleichbaren quantenphysikalischen Eigenschaften. Dieses bestand aus einem Supraleiter-Schaltkreis, einem sogenannten Qubit, der mit einer Quelle für Mikrowellenstrahlung gekoppelt wurde. Um störende Einflüsse etwa über thermische Schwankungen zu reduzieren, kühlten die Forscher dieses System fast bis auf den absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad ab und schützten es zusätzlich mit einer mehrschichtigen supraleitenden Hülle vor äußeren elektromagnetischen Feldern.

Dieses künstliche Atom bildete genau zwei elektronischen Zustände aus. Zerfiel der energetisch höher liegende Zustand, wurde ein Mikrowellenpuls ausgesendet. Durch die Überlagerung mit einem weiteren Mikrowellenfeld gelang es Murch und Kollegen, die Zerfallsrate für den strahlenden Übergang deutlich unter das bisher gültige Limit zu senken. Durch die Veränderung der Bedingungen in der Umgebung ließ sich also das quantenphysikalische Verhalten dieses künstlichen Atoms manipulieren.

Interessant sind diese Ergebnisse bisher nur für die Entwickler von Quantencomputern. Denn sie nutzen ebenfalls ähnliche Qubits, um in Zukunft Daten viel effektiver und schneller berechnen zu können als herkömmliche auf Halbleitern basierende Prozessoren. Methoden, um das quantenphysikalische Verhalten dieser Qubits von außen zu kontrollieren, sind dabei von großer Bedeutung. Wenn sich diese Verfahren in Zukunft auch auf reale Atome übertragen ließen, könnte auch deren elektronische Struktur von außen manipuliert werden. Für die Lichterzeugung in Lasern und Leuchtdioden ergäben sich völlig neue Möglichkeiten, um Intensität und Farbe der emittierten Strahlung nach Wunsch zu verändern.