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Photonen im Gleichtakt

Physik. - Wenn Atome anfangen, sich gleich zu bewegen, sozusagen als ein Superatom, sprechen Physiker von einem Bose-Einstein-Kondensat, einem erst seit wenigen Jahren bekannten Aggregatzustand der Materie. Jetzt haben Forscher Lichtteilchen in so einen Zustand überführt.

Von Ralf Krauter | 25.11.2010
    Das Rezept für ein Bose-Einstein-Kondensat ist eigentlich recht simpel. Man schleuse möglichst viele Atome einer geeigneten Sorte in einen Vakuumkessel, sperre sie dort in einen elektromagnetischen Käfig und kühle sie dann bis knapp über dem absoluten Nullpunkt herunter. Das Ergebnis ist faszinierend: Die Atome in der tiefgekühlten Gaswolke verlieren ihre Individualität. Sie verhalten sich so, als wären sie zu einem einzigen Superatom verschmolzen, erklärt der Physiker Jan Klärs von der Universität Bonn.

    "Das ist etwas, was man für Atome schon kennt, seit einigen Jahren – seit 1995 glaube ich. Und das haben wir jetzt halt auch für Photonen geschafft. Und da hat man in der Tat vorher gedacht, das ist eigentlich nicht möglich, das für Photonen zu erzeugen."

    Photonen sind Lichtteilchen. Dass es theoretisch möglich sein sollte, auch sie miteinander eins werden zu lassen, war klar. Aber die Umsetzung dauerte. Ein erster Schritt war US-Forschern bereits in den 1990er Jahren gelungen. Sie hatten einen winzigen Käfig aus Spiegeln gebaut, um möglichst viele Lichtteilchen auf engstem Raum gefangen zu halten. Genau solch ein optischer Mikroresonator ist auch das Herzstück der Apparatur, mit der die Bonner Physiker jetzt Erfolg hatten.

    "Das sind zwei sehr hoch reflektierende Spiegel, das heißt, die werfen eigentlich das Licht mehr oder weniger komplett wieder zurück. Das heißt nur ganz wenig Licht leckt aus diesen Spiegeln raus. Dieser Resonator, der wird gepumpt durch einen Laserstrahl. Dadurch erzeugt man halt eine gewisse Menge von Photonen, die permanent zwischen diesen Spiegeln hin- und hergeworfen werden."

    Der Doktorand Jan Klärs steht vor einem Tisch vom Format einer Tischtennisplatte, auf dem Dutzende Linsen und Spiegel montiert sind. Aus einer schwarzen Box kommt ein grüner Laserstrahl. Am vorderen Rand der Platte trifft er die fingergroße Glaszelle mit der Lichtfalle. Der Spalt zwischen ihren gekrümmten Spiegeln ist nur eineinhalb Mikrometer breit. Dadurch können sich in dem optischen Resonator nur gelbe und grüne Lichtwellen aufschaukeln. Für größere Wellenlängen fehlt der Platz. Klärs:

    "Und dieses Licht, was dann aus dem Resonator kommt, das wird dann analysiert in einem Spektrometer, durch eine Kamera. Das heißt, man guckt sich einfach an, welche Farben kommen da raus, wie viele Photonen kommen bei welcher Farbe."

    Für ein Bose-Einstein-Kondensat müssen die gefangenen Photonen alle dieselbe Wellenlänge haben. Erst dann können sie zu einem "Superphoton" verschmelzen. Die energiereicheren grünen Lichtteilchen müssen deshalb sozusagen auf gelb heruntergekühlt werden. Und das galt lange als unmöglich, erklärt Jan Klärs' Doktorvater Professor Martin Weitz vom Institut für Angewandte Physik.

    "Normalerweise, wenn man Photonen abkühlt, dann verschwinden die."

    Um das zu verhindern, spülen die Bonner Forscher eine grell-orangene Flüssigkeit durch den winzigen Spalt der Lichtfalle. Weitz:

    "Der Farbstoff wirkt sehr schön wie ein Thermostat, der die Photonen auf Raumtemperatur kühlt. Das ist sozusagen der Trick: Die Photonen werden durch Streuung an den Molekülen in ihrer Farbe geändert, aber sie verschwinden nicht."

    Der Farbstoff wirkt wie ein Kältebad für Lichtteilchen. Er sorgt dafür, dass alle Photonen dieselbe Temperatur - und damit Farbe - annehmen. Das Resultat ist beeindruckend: Sobald genügend Photonen in der Lichtfalle stecken – die Schwelle liegt bei etwa 80.000 – entweicht ihr nur noch gelbes Licht. Jan Klärs:

    "Ab einem bestimmten Punkt werden dann wirklich die Photonen nur noch in einer Farbe emittiert. Und das ist halt wirklich so ein typisches Anzeichen für eine Bose-Einstein-Kondensation."

    Für die Grundlagenforschung ist das weltweit erste Bose-Einstein-Kondensat aus Licht wegweisend. Aber auch praktische Anwendungen sind denkbar. Neuartige Lichtquellen zum Beispiel, die Laserlicht im UV oder Röntgenbereich liefern. In jenem Teil des Spektrums also, wo robuste Laser für Anwendungen in der Medizin oder Halbleiterindustrie bis heute Mangelware sind.