Auf Katzenpfoten zu verbesserter Laserspektroskopie

23.09.2011: Physiker aus Marburg und dem US-amerikanischen Boulder haben einen Theorierahmen für die Quanten-Laserspektroskopie vorgelegt, die erstmals umfassenden experimentellen Zugang zu komplizierten Prozessen verspricht, die sich im Nanometer-Maßstab abspielen. Geringe Anpassungen der bislang gängigen Technologie eröffnen demnach ein weites Feld völlig neuer Anwendungen.

„Quantum spectroscopy with Schrödinger cat states“ – unter diesem Titel veröffentlichen die Wissenschaftler um Professor Dr. Mackillo Kira und Professor Dr. Stephan W. Koch von der Philipps-Universität sowie Steve Cundiff von der University of Colorado ihre Ergebnisse vorab in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

„Wir haben einen echten Durchbruch erzielt“, konstatiert Mackillo Kira, einer der Autoren: „Unser komplett neuer Theorierahmen erweitert die Laserspektroskopie durch Quantenaspekte.“ Laserspektroskopie ist eine überaus genaue Methode, um den Zustand materieller Systeme zu analysieren und kontrolliert zu handhaben; sie findet bereits heute zahlreiche Anwendungen in Physik, Chemie, Meteorologie und den Lebenswissenschaften. So beruhen beispielsweise die universellen Standardmaße für Zeit und Raum auf hochpräziser Laserspektroskopie.

Indes findet hierbei die Ausnutzung von quantenoptischen Charakteristika des Lichts bislang eine enge Grenze, die durch die Komplexität der betrachteten Objekte gezogen wird; die experimentelle Forschung beschränkt sich daher im Wesentlichen auf vergleichsweise einfache Systeme, zum Beispiel einzelne Atome.

Der Ansatz von Kira und seinen Kollegen soll es nunmehr ermöglichen, quantenoptische Untersuchungen auch an Vielteilchen-Systemen durchzuführen, etwa an Halbleitern und Molekülen. „Die quantenoptischen Prozesse in solchen Systemen sind abhängig vom jeweiligen Systemzustand und den Wechselwirkungen, die dabei vorkommen“, erklären die Autoren.

Die Physiker analysieren in ihrem Aufsatz experimentelle Ergebnisse der Laserspektroskopie und kombinieren die Daten mit einem neuartigen Theorierahmen. Wie die Verfasser ausführen, projiziert das von ihnen vorgeschlagene Schema eine große Zahl klassischer Messungen auf das Verhalten eines mathematisch präzise definierten Quantenlasers. „Wir demonstrieren, dass die Ergebnisse klassischer Anregungsexperimente bereits alle Informationen enthalten, um auch die quantenoptischen Zustände des Systems zu charakterisieren“, erläutert Kira. „Unsere Ausarbeitung zeigt, wie sich diese verborgenen Informationen extrahieren lassen.“

Auch wenn die vorgelegte Analyse sich auf Halbleiter fokussiert, seien die künftigen Anwendungen keineswegs darauf beschränkt – „im Prinzip kann mit unserer Methode jedes Vielteilchen-Objekt untersucht werden“, sagt Kira voraus. Dabei könne man auf die experimentellen Vorgehensweisen zurückgreifen, die in der hochpräzisen Laserspektroskopie seit Langem etabliert sind.

„Wir glauben, dass unser Ansatz die Laserspektroskopie revolutionieren wird“, beteuert der Marburger Physiker. Die bisherige Aufnahme im Kollegenkreis scheint diese Einschätzung zu bestätigen: „Wir haben so enthusiastische Reaktionen erfahren wie nie zuvor!“

Originalveröffentlichung:
Mackillo Kira & al.: Quantum spectroscopy with Schrödinger cat states, Nature Physics (2011)