Normalerweise strahlen Atome Licht gleichmäßig und unabhängig voneinander in alle Richtungen ab. Damit die Atome gerichtet Licht aussenden, müssen sie entweder in eine Umgebung gebracht werden, die die Richtung der Lichtaussendung vorgibt, oder sie müssen untereinander kommunizieren können. Letzteres lässt sich bspw. erreichen, indem die Atome sehr nahe zusammengebracht, oder mittels optischer Elemente wie z.B. Spiegeln oder Lichtleitfasern gekoppelt werden. Trotz der gerichteten Aussendung des Lichts erfolgt diese jedoch immer noch in entgegengesetzte Richtungen. Zur Erzeugung von gerichtetem Licht in nur einer einzigen Richtung, mussten die Atome bislang in festen, speziell angeordneten Strukturen sitzen, die die beiden Richtungen von vornherein unterscheiden. Im Gegensatz dazu bewegen sich die Atome im Experiment der Forscher frei und sind ungeordnet – und senden dennoch gebündeltes, gerichtetes Licht aus. Möglich wird das durch eine Hohlfaser, die alle Atome verbindet: Über diesen gemeinsamen Kanal stimmen sich die Atome ab und bauen kurze, intensive Lichtpulse auf, die sich bevorzugt entlang der Faser ausbreiten.

Bislang liefen diese Pulse gleich stark in beide Richtungen der Faser. Das Team zeigt – bestätigt durch Experiment sowie Simulationen an der RPTU Kaiserslautern-Landau –, dass sich dieses Gleichgewicht gezielt kippen lässt, indem das Tempo der Atombewegung auf die Pulsdauer der Emission abgestimmt wird. So strahlt mehr Licht in die gewünschte Richtung.

Die Arbeit zeigt, dass präzise, konstruierte Strukturen und Anordnungen der Atome zur gerichteten Aussendung von Licht nicht notwendig sind: auch ungeordnete Atome in Bewegung können gemeinsam Licht in nur einer Richtung aussenden. Die Ergebnisse eröffnen damit einen neuen Weg, gerichtete Lichtquellen und optische Bauelemente zu bauen.

Die Arbeit ist nun bei Physical Review Letters erschienen.