Nanofaser-basierte optische Zugkraft und Hohlraum QED

Vor kurzem wurde theoretisch gezeigt, dass stark nicht-paraxiale Besselstrahlen eine Strahlungskraft auf Teilchen ausüben können, die diese hin zur Quelle zieht. In solchen Besselstrahlen kann die Richtung des Poyntingvektors invertiert werden, so dass er zur Lichtquelle zeigt. Die Existenz einer optischen Zugkraft (OZK) mit Besselstrahlen experimentell zu verifizieren ist jedoch äußerst schwierig. In diesem Teilprojekt schlagen wir deshalb vor, zu untersuchen, ob eine OZK auch im evaneszenten Feld einer hochgradig nicht-paraxialen Mode einer optischen Nanofaser mit hohem Brechungsindex realisiert werden kann. Nanofasermoden sind in dieser Hinsicht sehr erfolgsversprechend, weil in ihrem evaneszenten Feld "Wurmloch-Regionen" mit negativem Poyntingvektor auftreten können. Darüber hinaus wäre diese OZK leicht nachweisbar, da die Mode neben der Zugkraft auch eine Gradientenkraft bereitstellen könnte, die die Teilchen automatisch in den Bereichen mit einer rückwärts gerichteten Kraft fängt. Über das grundlegende Interesse an einer OZK hinaus hätte die Realisierung mit Nanofaser-Moden große Relevanz für Anwendungen in der Wissenschaft und Technik. Die Ergebnisse dieses Teilprojekts schaffen die theoretischen Grundlagen für dieses Unterfangen. Im zweiten Teilprojekt werden wir Hohlraum-quantenelektrodynamische (CQED) Effekte in einem Ensemble von fasergefangenen Atomen untersuchen, das an einen Nanofaser-Resonator gekoppelt ist. Bisher werden in CQED- Experimenten gewöhnlich optische Mikroresonatoren mit hoher Finesse verwendet. Eine einfache Nanofaser oder ein Nanofaser-basierter Resonator (NFR) kann für diesen Zweck jedoch ebenfalls eingesetzt werden. Hierbei treten CQED-Effekte aufgrund des starken lateralen Einschlusses der NFR-Mode auch auf, wenn die Finesse des NFR moderat (~100) und der Resonator verhältnismäßig lang (~10 cm) sind. Solche Nanofaser-basierten Resonatoren wurden vor kurzem experimentell realisiert. Darüber hinaus konnten unlängst kalte Neutralatome im evaneszenten Feld um optische Nanofasern gefangen und optisch gekoppelt werden. Daher ist die Kombination von NFRs mit Nanofaser-gefangenen Atomen sehr zeitgemäß und vielversprechend. Insbesondere ist in Anbetracht seiner hohen optischen Dichte ein Nanofaser-gefangenes atomares Ensemble in einem NFR ein aussichtsreiches System für fortgeschrittene (Quanten-) photonische Anwendungen und für die Grundlagenforschung. Wir werden das theoretische Rüstzeug zur Beschreibung dieses neuen Systems liefern und sein Potenzial zur Lichtflusskontrolle und für die LichtLicht-Wechselwirkung auf der Ebene einzelner Quanten erforschen. Diese und Erkenntnisse sind wertvoll, um die LichtMaterie-Wechselwirkung aus der Nanoskala zu verstärken, um die Effizienz zu steigern, mit der Licht in Nanostrukturen gekoppelt wird, sowie für Sensoren, Nahfeld-Abbildungen, zur Lichtführung und für die Quanteninformationsverarbeitung und kommunikation.

Ziel des Projekts war eine theoretische Untersuchung von auf optischen Nanofasern basierenden Ansätzen bzgl. grundlegender sowie angewandter Fragestellungen der klassischen bzw. Quanten-Elektrodynamik. Optische Nanofasern haben einen Durchmesser unterhalb der Wellenlänge des geführten Lichts, schließen das Licht transversal stark ein und weisen ein ausgeprägtes evaneszentes Feld um die Faser herum auf. Das erste Teilprojekt beschäftigte sich mit optischen Kräften, die auf dielektrische Teilchen im evaneszenten Feld um eine Nanofaser wirken. Ursprünglich war die zentrale Fragestellung, ob optische Zugkräfte realisiert werden können. Optischen Zugkräften wurde in letzter Zeit große Aufmerksamkeit zuteil, weil sie zur Lichtquelle hin gerichtet sind und auch ohne Intensitätsgradienten wirken. Die Antwort auf diese Frage fiel negativ aus. Im Laufe dieser Untersuchungen entdeckten Dr. Pham Le Kien und sein Mitantragsteller, Prof. A. Rauschenbeutel, jedoch einen unerwarteten und verblüffenden Effekt: Es war bekannt, dass der Poyntingvektor eines quasi-zirkular polarisierten geführten Lichtfelds einer Nanofaser zu einer azimutalen Komponente des Energieflusses führt. Die Energie fließt demnach entlang helixförmiger Bahnen um die Nanofaser. Dementsprechend erfährt auch ein sphärisches dielektrisches Teilchen eine azimutale Komponente der optischen Kraft. Die Forscher fanden, dass letztere für einen geeignet gewählten Durchmesser und Brechungsindex des Teilchens überraschenderweise dem Drehsinn des Energieflusses entgegengerichtet sein kann. Diese Ergebnisse ebnen den Weg, um mittels Nanofasern dielektrische Teilchen zu sortieren, zu manipulieren und zu steuern. Im zweiten Teilprojekt studierten die Forscher die Fortpflanzung von geführtem Licht in einer regelmäßigen Kette von Cäsiumatomen. Solche Atomketten konnten vor kurzem im evaneszenten Feld um optische Nanofasern gefangen werden. Sie konnten zeigen, dass sich zwei Energieintervalle ausbilden, innerhalb derer das geführte Licht nicht durch die Kette propagieren kann, wenn der Abstand zwischen benachbarten Atomen einem halbzahligen Vielfachen der Wellenlänge des geführten Lichts entspricht und wenn die Atomzahl groß genug ist. Dieser Effekt ist analog zum Auftreten sogenannter Bandlücken in Halbleitern. Weiterhin konnten sie zeigen, dass die Rate, mit der ein Atom im Gleichgewichtszustand geführtes Licht in die von der Nanofaser geführten Moden streut, asymmetrisch bzgl. die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ist. Diese Asymmetrie bzgl. Vorwärts- und Rückwärtsstreuung kann z.B. genutzt werden, um sogenannte optische Isolatoren zu realisieren, die für integrierte optische Schaltkreise unentbehrlich sind. Diese Ergebnisse haben den Stand der Erkenntnis betreffend der Kopplung von Quantenemittern und optischen Nanostrukturen vorangebracht und damit zu einem neuen und vielversprechenden interdisziplinären Feld der Quantenphysik beigetragen.