Wie sich bewegte Atome auf eine gemeinsame Lichtrichtung einigen

Ein Forschungsteam am Institut für Angewandte Physik der TU Darmstadt hat erstmals nachgewiesen, dass thermisch bewegte, räumlich ungeordnete Atome bevorzugt gerichtet Licht in eine definierte Richtung emittieren können. Obwohl weder die atomare Verteilung noch das Mikromilieu eine Richtungspräferenz aufweisen, lässt sich die Asymmetrie der Emission gezielt steuern. Ungebundene Atome emittieren Fluoreszenzstrahlung primär isotrop und stochastisch unkorreliert. Für eine gerichtete Lichtemission ist entweder eine strukturierte Umgebung zur Wellenführung oder eine kollektive Wechselwirkung der Emitter erforderlich. Letztere lässt sich durch geringe Abstände der Emitter oder die Kopplung über optische Elemente wie Spiegel und Lichtwellenleiter realisieren. Bisherige Anordnungen führten dabei stets zu einer bidirektionalen Abstrahlcharakteristik.

Unidirektionale Emission in unstrukturierten Systemen

Zur Erzeugung einer strikt unidirektionalen Emission mussten Atome bislang in geordneten, chiralen oder periodischen Kristallgittern fixiert werden. Im beschriebenen Experiment befinden sich die Atome hingegen in freier Bewegung und räumlicher Unordnung. Die gerichtete Bündelung erfolgt über eine Hohlfaser als gemeinsamer Kopplungskanal: Über diese Mode korrelieren die Atome ihre Emissionsphasen und generieren kurze, intensive Lichtpulse mit hoher Direktionalität entlang der Faserachse.

Symmetriebrechung durch Dynamikabstimmung

In konventionellen Wellenleiterkonfigurationen breiten sich die emittierten Pulse mit gleicher Intensität in beide Faserrichtungen aus. Den Forschenden gelang es – validiert durch Simulationen an der RPTU Kaiserslautern-Landau –, dieses Emissionsgleichgewicht gezielt zu brechen. Durch die Abstimmung der kinetischen Energie der Atome auf die Pulsdauer der kollektiven Emission lässt sich der Photonenstrom bevorzugt in eine definierte Ausbreitungsrichtung lenken.

Potenzial für die Entwicklung optischer Bauelemente

Die Ergebnisse belegen, dass nanostrukturierte Anordnungen oder ortsfeste Emittergitter für eine unidirektionale Lichtemission nicht zwingend erforderlich sind. Auch ungeordnete, dynamische Ensembles eignen sich zur Erzeugung gerichteter Strahlung. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Ansätze für die Konstruktion neuartiger gerichteter Photonenquellen und integrierter optischer Bauelemente in der Quantenoptik und Analytik.

Quelle

TU Darmstadt (09/2026)