Atom- und die Molekülphysik zusammengebracht – Aromatische Verbindungen als Quellen einzelner Photonen – Quanteninformationsverarbeitung mit Alkalimetallen
Es mag verwundern, aber in der Physik liegen Welten zwischen dem Gebiet der Atome und dem Terrain der organischen Moleküle. Um ein Molekül mit Atomen optisch sprechen zu lassen, müssen sich Physiker daher ähnlich anstrengen wie die meisten Europäer, wenn sie chinesisch lernen wollen. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und der Universität Stuttgart hat nun erstmals eine Kommunikation zwischen Molekülen und Atomen angestoßen. Die Forscher haben Moleküle dazu gebracht, einen Strom schnell aufeinander folgender, aber dennoch einzelner Photonen abzugeben.
Die Moleküle wählten sie dabei so aus, dass die Farbe ihrer Emission auf die Absorption der Natriumatome abgestimmt ist. Die Forscher entwickelten daher aus einer mit Natriumdampf gefüllten Glaszelle einen Filter, der Licht diese Farbe extrem gut abblockt und etwa für biologische Untersuchungen interessant ist. Zudem nutzten die Physiker die Gas-gefüllte Zelle, um den Photonenstrom zu bremsen und so für einige Nanosekunden zwischenzuspeichern. Das könnte etwa für die Quantenkommunikation interessant sein, die völlig neue Ansätze bei der Übertragung und Verarbeitung von Daten verfolgt.
Ilja Gerhardt und seine Kollegen sind physikalische Brückenbauer: Die Forscher haben in ihren Experimenten die Atom- und die Molekülphysik zusammengebracht. Aus der Perspektive eines Laien mögen die beiden Disziplinen eng verwandt sein, doch für Physiker sind deren Territorien durch eine bisher ziemlich undurchlässige Grenze getrennt. So hat bisher auch deshalb noch keiner Moleküle dazu gebracht, mit Atomen zu reden, weil der Austausch der Wissenschaftler beider Gebiete ebenfalls nicht besonders rege ist.
Die Experimente mit Molekülen stellen zudem ganz andere Anforderungen als die Versuche mit Atomen und bieten andere Möglichkeiten. „Wir haben jetzt erstmals die Spektroskopie einzelner Moleküle mit der Spektroskopie der Atome kombiniert“, sagt Ilja Gerhardt, der die Experimente leitete. Die Spektroskopie ist das Arbeitspferd der Quantenphysiker. Dabei strahlen die Forscher Licht – meistens das eines Lasers – auf ein Material und gucken, ob und wenn ja, welches Licht die Substanz abgibt. Das verrät ihnen viel über den Aufbau und das Verhalten ihrer Testobjekte.
Folgt: Eine besonders helle Quelle für einzelne Photonen – abhörsichere Kommunikation dank Quantenkryptografie