Damit Computer mit Licht rechnen, schicken Tübinger Atome zum Wellenreiten Physiker der Universität Tübingen schaffen Durchbruch für optische Computer

Einem Forscherteam der Universität Tübingen ist es gelungen, eine Wechselwirkung zwischen kalten Atome und winzigen Golddrähten herzustellen. Mit gebündeltem Laserlicht an den Drähten entstehen Plasmone. Aus diesen wiederum könnten sich in Zukunft Bauteile für optische Computer und für die Quanten-Informationsverarbeitung entwickeln – im wahrsten Sinne ein Quantensprung in Sachen Leitung und Geschwindigkeit.

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Die Plasmone entstehen, wenn die Golddrähte in spezieller Weise mit Laserlicht beleuchtet werden. Das Licht wird an den Drähten eingefangen und gebündelt. Für entsprechende Schaltkreise müssen die Plasmonen, die vor allem für die Übertragung von Daten eingesetzt werden könnten, jedoch an Datenspeicher ankoppeln.

Als mögliche Datenspeicher werden Atome als heißer Favorit gehandelt. Hier setzt das Forscherteam unter der Leitung von Dr. Sebastian Slama an. Der Nachwuchswissenschaftler hat in seiner mehrjährigen Arbeit am Lehrstuhl Quantenoptik von Prof. Claus Zimmermann die nötigen Techniken entwickelt, um ultrakalte Atome so nahe an Oberflächen heranzuführen, dass diese mit den an der Oberfläche konzentrierten Lichtfeldern wechselwirken können.

Hierzu werden die Atome in magnetischen Fallen in einer Vakuumkammer präpariert und durch verschiedene Verfahren so weit abgekühlt, dass ihre Temperatur nur noch wenige Milliardstel Kelvin beträgt. Die Atome verhalten sich dann nicht mehr wie ein normales Gas, sondern bilden ein sogenanntes Bose-Einstein Kondensat, bei dem sich alle Atome im gleichen Quantenzustand befinden.

Das Super-Atom

Dieses Kondensat verhält sich wie ein einziges riesiges Super-Atom und kann durch magnetische Felder so nahe an die Oberfläche verschoben werden, bis es den Einfluss des Plasmons spürt. Salma erläutert: „Wir können sowohl Plasmonen erzeugen, die Atome anziehen, als auch solche, die Atome abstoßen. Indem wir eine Strukturierung der Oberfläche vorgeben, können wir auf diese Weise beliebige Potenzial-Landschaften für die Atome erzeugen.“

Vor kurzem konnten die Wissenschaftler ihre Ergebnisse in der Zeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlichen. Erstautor Christian Stehle, der zur diesem Thema promoviert und zusammen mit Helmar Bender (inzwischen Postdoc an der Universität Sao Carlos in Brasilien) die Messungen durchgeführt hat, erzähltvon der Wirkung: „Unsere Ergebnisse haben richtig eingeschlagen. Wir haben es bis auf das Titelblatt der August-Ausgabe geschafft, und die Zeitschrift würdigt unsere Arbeit in einem Kommentar.“

Das war die Grundsteinlegung

Mit diesem Erfolg ist die Arbeit der Wissenschaftler aber keineswegs abgeschlossen. „Unser Ziel ist es, mit solchen hybriden Systemen Komponenten für optische Computer und die Quanteninformation zu bauen. Wir konnten jetzt einen Meilenstein setzen, stehen aber dabei gerade am Anfang des Weges“, so Slama.

Seiner Meinung nach kann dies nur in Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern bewältigt werden. Neben der bestehenden Kooperation mit der Nanotechnologie-Gruppe von Prof. Dieter Kern und Dr. Monika Fleischer, mit deren Hilfe die jetzt untersuchten Strukturen hergestellt wurden, hat der Physiker hierzu Kontakte zu weiteren Wissenschaftlern in Tübingen, Europa und Brasilien hergestellt.

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