Uni Wien: Gequetschtes Licht aus Silizium-Chip

Mit Licht lässt sich sehr genau messen. Allerdings setzt die Quantennatur des Lichts selbst Grenzen bei der Präzision. Ständige Fluktuationen schränken die Messempfindlichkeit ein. Schon seit Jahren verwendet man deshalb „gequetschtes Licht" für Präzisionsmessungen, in dem dieses Rauschen unterdrückt ist. Um das Licht zu „quetschen", mussten bisher allerdings sogenannte nicht-lineare Kristalle verwendet werden. Wiener und US-Physikern ist es nun erstmals gelungen, gequetschtes Licht in einem Silizium-Mikrochip zu produzieren, berichten sie in der Fachzeitschrift „Nature". Dies eröffnet weitreichende Anwendungsmöglichkeiten.

Messverfahren mit Grenzen
Sogenannte Interferometer werden in der Wissenschaft eingesetzt, um mit Licht sehr präzise zu messen. Etwa wenn es darum geht, die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen nachzuweisen - was bisher noch nicht gelungen ist. Hunderte Meter lang sind solche Interferometerarme, deren Länge sich minimal durch die von Gravitationswellen verursachte Raum- und Zeitdehnung bzw. -quetschung ändern sollte.

Das kann allerdings nur funktionieren, wenn die Phase (sie gibt an, wann und wo die Wellenberge sind, Anm.) des im Interferometerarm laufenden Laserstrahls gut definiert ist. Die maximale Auflösung dieses Messinstruments ist durch das Phasenrauschen begrenzt, „das ist ein fundamentales Limit", erklärte der Physiker Markus Aspelmeyer vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien im Gespräch mit der APA, der in dem Projekt mit Oskar Painter vom California Institute of Technology (Caltech) zusammengearbeitet hat. Ziel ist daher, möglichst wenig zeitlich zueinander verschobene Wellen zu haben.

Das gelingt mit rauschunterdrücktem Licht, wo die Phase der Welle so zusammengequetscht ist, dass sie weniger fluktuiert als eigentlich für klassische elektromagnetische Strahlung erlaubt ist. Solches nur wenig fluktuierendes Licht kann man relativ einfach mit Hilfe nicht-linearer Kristalle herstellen. Ein solcher Kristall lässt sich aber nicht beliebig miniaturisieren.

Anwendung in lichtempfindlichen Gebieten
Aspelmeyer hat gemeinsam mit seinem früheren Doktoranden Simon Gröblacher, der mittlerweile am Caltech arbeitet, und Kollegen ein System hergestellt, das die Produktion von gequetschtem Licht in einem Silizium-Mikrochip ermöglicht. Sie verwenden dabei einen Resonator, der aus zwei winzigen Siliziumbalken besteht. Winzige Löcher in den beiden Balken verwandeln das Silizium in einen hochreflektierenden Spiegel. Die auf die Balken treffenden Lichtteilchen bringen diese zum Schwingen - wobei das Rauschen des Lichts diese Vibrationen beeinflusst. Die Balken übertragen aber die Fluktuationen auch wieder zurück auf das Licht. Ähnlich wie bei rauschunterdrückenden Kopfhörern, wo mit Hilfe von künstlich erzeugtem Schall Umgebungslärm unterdrückt wird, heben die Fluktuationen der Balken jene des Lichts auf und reduzieren so das Rauschen im Licht.

Für eine solche Miniatur-Lichtquelle gibt es laut Aspelmeyer eine Fülle von Anwendungen. Etwa im Bereich Sensorik mit Systemen, die nur wenig Licht vertragen, biologische Systeme etwa. „Hier geht es darum, mit möglichst wenig Lichtleistung möglichst viel Informationen herauszubekommen - und das ermöglicht gequetschtes Licht", so der Physiker.

Aber auch in der optischen Informationsverarbeitung sieht Aspelmeyer ein breites Anwendungsfeld. Dort benötige man gequetschtes Licht, doch dieses habe man bisher nur in vergleichsweise riesigen nicht-linearen Kristallen herstellen können. „Das war eine der großen Bremsen beim optischen Computing", so der Physiker. „Für die optische Informationsverarbeitung hat die mit unserem Chip ermöglichte integrierte Nichtlinearität deshalb viel Potenzial."

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