Lichtsignale mit einzelnen Photonen kontrollieren

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Ein Kontrollstrahl verändert die optischen Eigenschaften des Moleküls

Nun ist es einem Team um Vahid Sandoghdar gelungen, Licht mit einem einzigen organischen Molekül und nur einer Handvoll Photonen zu kontrollieren. Dazu froren die Forscher zunächst Moleküle, die sie in einem Festkörper eingebettet hatten, bei minus 272 Grad Celsius ein.

Mithilfe moderner Mikroskopie- und Spektroskopietechniken brachten sie dann zwei sorgfältig fokussierte Laserstrahlen auf einem einzelnen Molekül zum Überlappen: einen sogenannten Kontrollstrahl und einen Probstrahl, der geschaltet werden soll.

"Der Kontrollstrahl hat dabei die Aufgabe, die optischen Eigenschaften des Moleküls so zu verändern, dass es für den zweiten, den Probstrahl, durchsichtig wird", erklärt Andreas Maser, der an den Versuchen im Rahmen seiner Doktorarbeit mitwirkte.

Bislang benötigte man starke Laserstrahlen und makroskopische Materialien, um Licht mit Licht zu schalten. Denn dieser Vorgang beruht auf einer Wechselwirkung, die Physiker nicht-linear nennen. Solche nicht-linearen Wechselwirkungen sind für gewöhnlich sehr schwach, weil sie gewissermaßen vom Normalfall, der linearen Wechselwirkung abweichen.

Anders als bei der linearen Wechselwirkung hängen die optischen Eigenschaften eines Materials bei nicht-linearen Wechselwirkungen auch von der Lichtintensität ab und nicht nur vom Material. Das liegt daran, dass die Elektronen, die die Schwingungen der elektromagnetischen Lichtwellen aufnehmen, dem Licht im nicht-linearen Fall nicht mehr so gut folgen können wie bei einer linearen Wechselwirkung. Wie sie auf die Lichtwellen reagieren, hängt dann auch von der Lichtintensität ab, die für den nicht-linearen Effekt aber gewöhnlich sehr hoch sein muss.

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