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Atombewegung lenkt kollektive Lichtemission in eine Richtung
Ungeordnet bewegte Atome können gemeinsam Licht deutlich stärker in eine Richtung aussenden, obwohl einzelne Atome und ihre Kopplung zur Faser vorwärts und rückwärts symmetrisch sind. Im Experiment entstand die Einseitigkeit erst durch das Zusammenspiel aus kollektiver Emission, Atombewegung und der räumlichen Phase eines Raman-Prozesses. Der Effekt war kontrollierbar und erreichte eine normierte Richtungsasymmetrie von 0,89.
Darmstadt (Deutschland). Atome senden Licht normalerweise unabhängig voneinander aus. Werden viele von ihnen über dasselbe Lichtfeld gekoppelt, können sich ihre optischen Übergänge jedoch synchronisieren und kurze, intensive Lichtpulse erzeugen. In einer eindimensionalen Faser breitet sich diese kollektive Emission bevorzugt entlang der Faserachse aus, ohne zusätzliche Asymmetrie aber grundsätzlich in beide Richtungen.
Eine starke Bevorzugung nur einer Faserrichtung wurde bisher meist durch asymmetrische, sogenannte chirale Kopplungen oder durch speziell angeordnete Emitter erzeugt. Chirale Kopplungen behandeln Vorwärts- und Rückwärtsrichtung unterschiedlich. Die neue Arbeit zeigt einen anderen Mechanismus. Die Atome können räumlich ungeordnet sein und sich thermisch in verschiedene Richtungen bewegen. Entscheidend ist, wie schnell diese Bewegung während des kollektiven Lichtpulses die Phasenbeziehungen verändert.
Für das Experiment hat das Team bis zu 200.000 lasergekühlte Rubidium-87-Atome in eine Hohlfaser geladen. Ein Pumpstrahl erzeugte über einen Raman-Prozess effektive Zwei-Niveau-Systeme. Deren optischer Übergang trägt eine ortsabhängige Phase. Nur ein kleiner Teil der Atome wirkt jeweils stark kollektiv zusammen, in den beiden Faserrichtungen zusammen höchstens rund 300 effektive Emitter.
Über die Leistung des Pumpstrahls veränderten die Forscher die Zerfallsrate dieser effektiven Übergänge. Damit verschob sich das Verhältnis zwischen der Dauer der kollektiven Emission und der thermischen Bewegung der Atome. Die Richtungsasymmetrie erfassten sie mit einer normierten Größe κ. Bei gleich starker Emission in beide Richtungen ist κ gleich null, bei zunehmend einseitiger Emission nähert sich der Wert eins.
Im Experiment stieg κ nach dem Übergang in den kollektiven Emissionsbereich zunächst an und fiel bei mehr effektiv beteiligten Atomen wieder. Der höchste gemessene Wert lag bei 0,89 ± 0,01. Ohne ausreichend starke kollektive Emission blieb die Aussendung dagegen weitgehend symmetrisch. Auch tief im kollektiven Bereich konnte die Symmetrie wieder zunehmen, wenn die kollektive Dynamik schneller wurde als die bewegungsbedingte Phasenstörung.
Der Mechanismus hängt nicht einfach davon ab, dass sich die Atome bewegen. Der Raman-Prozess prägt den effektiven atomaren Dipolen eine räumlich veränderliche Phase auf. Während eines Lichtpulses verschieben sich die Atome, wodurch sich diese Phasenbeziehungen verändern. In der kollektiven Emission wirkt diese Bewegungsunschärfe auf die beiden Ausbreitungsrichtungen unterschiedlich und erzeugt so die gemessene Asymmetrie.
Welche Richtung bevorzugt wird, legt dabei die Geometrie des Pumpstrahls fest. Die Atombewegung erzeugt also die Richtwirkung, während die Anregung die bevorzugte Richtung auswählt. Damit ist die Interpretation klar begrenzt. Die Studie zeigt keine spontane Wahl einer Richtung durch ein vollständig symmetrisches Gesamtsystem.
Numerische Simulationen mit der Truncated-Wigner-Näherung, einem semiklassischen Verfahren für viele gekoppelte Spins, stützen dieses Bild. Ohne Atombewegung ergab das Modell κ gleich null, mit Bewegung entstand eine Richtungsasymmetrie. Die Berechnungen reproduzierten auch den Anstieg und den späteren Rückgang der Richtwirkung mit der Zahl kollektiv beteiligter Atome.
Die Übereinstimmung ist jedoch nicht in allen Bereichen quantitativ. Für die Simulation musste das Team die Zahl der Emitter stark reduzieren, wodurch spontane und verstärkte spontane Emission nahe der Schwelle unterschätzt werden. Zudem fehlt der Stok