Eingefrorenes Licht

In Harvard hat man Licht zum völligen Stillstand gebracht und nach 10 Mikrosekunden weiterlaufen lassen.

Nichts ist schneller als das Licht – im Vakuum wohlgemerkt! In Materie hingegen kann man Lichtpulse auf Radfahrergeschwindigkeit abbremsen, wie Lene Hau und ihre Mitarbeiter in Harvard vor vier Jahren zeigen konnten. Im Anschluss daran hatten sich die Gruppen von Lene Hau und von Mikhail Lukin (ebenfall in Harvard) ein heißes Rennen um die langsamste Lichtausbreitung geliefert. Fast zeitgleich schafften sie es Ende 2000, einen Lichtpuls in einer Atomwolke zum Stillstand zu bringen und anschließend auf Wunsch weiterlaufen zu lassen. Der Lichtpuls wurde dazu allerdings in ein atomares Anregungsmuster umgewandelt, das später das Licht wieder freigeben konnte.

Doch jetzt ist es Lukin und seinen Kollegen erstmals gelungen, einen Lichtpuls in unverwandelter Form als elektromagnetische Schwingung einzufrieren. Nach gut 10 Mikrosekunden ließen die Forscher den Puls dann weiterlaufen. In dieser Zeit kommt das Licht im Vakuum immerhin 3000 Meter voran. Dazu nutzen die Forscher ein ungewöhnliches optisches Phänomen, die so genannte elektromagnetisch induzierte Transparenz: Unter bestimmten Bedingungen kann man mit Hilfe von Licht eine lichtundurchlässige Substanz transparent machen.

Bei ihrem Experiment richteten die Forscher zwei Laserstrahlen von unterschiedlicher Wellenlänge auf ein kleines Wölkchen aus Rubidiumatomen, das in einer magnetisch abgeschirmten Zelle festgehalten wurde. Der eine Laserstrahl – das Signal – war gepulst und wurde so abgestimmt, dass er in Resonanz mit den Rubidiumatomen stand. Der Signalstrahl wurde deshalb normalerweise stark absorbiert. Mit dem anderen Laserstrahl, dem Kontrollstrahl, ließ sich der Zustand der Atome verändern. Wurden die Atome gleichzeitig vom Kontrollstrahl und vom gepulsten Signalstrahl getroffen, so kam es zu einer destruktiven quantenmechanischen Interferenz. Sie verhinderte, dass die Signalpulse von den Atomen absorbiert wurden. Die Atomwolke war transparent geworden.

Die Signalpulse konnten zwar in die Atomwolke eindringen, allerdings mit stark verringerter Geschwindigkeit. Da die Wolke nur für einen sehr schmalen Frequenzbereich transparent war, war ihr Brechnungsindex sehr stark abhängig von der Lichtfrequenz. Das hatte zur Folge, dass die Gruppengeschwindigkeit des Lichtes, mit der die Signalpulse in der Wolke vorankamen, sehr klein war und nur einige Meter betrug. Dadurch wurden die ursprünglich kilometerlangen Lichtpulse bei Eintritt in die Atomwolke so stark komprimiert, dass sie bequem in sie hineinpassten.

Sobald ein Signalpuls in der Wolke war, schalteten die Forscher den Kontrollstrahl ab – und die Wolke wurde augenblicklich undurchlässig für den Puls. Das elektromagnetische Feld des Pulses wandelte sich daraufhin in ein atomares Anregungsmuster um, das sich für einige Mikrosekunden speichern ließ. Das Licht war also zum Stillstand gekommen, allerdings nicht in seiner ursprünglichen Form, denn die elektromagnetische Energie war völlig von den Atomen aufgenommen worden. Sobald der Kontrollstrahl wieder eingeschaltet wurde, gaben die Atome die elektromagnetische Energie wieder ab. Der Signalpuls entstand aufs Neue und bewegte sich in die Richtung, die ihm der Kontrollstrahl vorgab.

Doch Lukin und seine Kollegen wollten das Licht als elektromagnetische Welle einfrieren und nicht nur als atomares Anregungsmuster. Dazu wiederbelebten sie den Signalpuls, indem sie zwei entgegen gesetzte Kontrollstrahlstrahlen auf die Atomwolke richteten. Der Lichtpuls konnte sich dann gewissermaßen nicht entscheiden, in welche Richtung er weiter laufen sollte, und er blieb wo er war. Der Lichtpuls war somit eingefroren. Tatsächlich war folgendes passiert: Die beiden gegenläufigen Kontrollstrahlen hatten ein stehendes Wellenmuster gebildet, in dem sich helle und dunkle Bereiche abwechselten. In den hellen Bereichen wandelten sich die atomaren Anregungen wieder in die elektromagnetischen Schwingungen des Signalpulses um. Die regelmäßig angeordneten dunklen Bereiche hingegen reflektierten den wiedererstandenen Puls wie ein Bragg-Gitter und verhinderten, dass er sich weiter bewegte. Sobald einer der beiden Kontrollstrahlen abgeschaltet wurde, verschwand dieses Bragg-Gitter und der Signalpuls setzte sich wieder in Bewegung.

Das eingefrorene Licht eröffnet faszinierende Möglichkeiten. Da es fast kein Rauschen aufweist, könnte man es zur Verarbeitung von Quanteninformationen benutzen. Die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Atomen ließen sich mit den stillstehenden Lichtpulsen besonders gut untersuchen. Mit geeigneten Kontrollstrahlen und Signalpulsen sollte es zudem möglich sein, Licht auch in drei Dimensionen einzufrieren.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  M. Bajcsy et al., Stationary pulses of light in an atomic medium, Nature 426, 638 (2003).
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature02176
  http://xxx.arxiv.org/abs/quant-ph/0311092  
• Kontakt:
  Mikhail D. Lukin, E-Mail: lukin@physics.harvard.edu  
• Lukin-Gruppe in Harvard:
  http://qoptics.physics.harvard.edu/index.htm  
• Weitere Forschungsartikel auf pro-physik.de finden Sie in der Rubrik Forschung.  
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema stationäre Lichtpulse finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Quantenoptik.

Weitere Literatur:

• Marlan O. Scully, Light at a standstill. Nature 426, 610 (2003).
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/426610a  
• André und M. D. Lukin, Manipulating Light Pulses via Dynamically Controlled Photonic Bandgap, Phys. Rev. Lett. 89, 143602 (2002).
  http://qoptics.physics.harvard.edu/PRL89_143602.pdf  
• M. D. Lukin und A. Imamoglu, Controlling photons using electromagnetically induced transparency, Nature 413, 273 (2001).
  http://qoptics.physics.harvard.edu/Nature413_273.pdf  
• D. Phillips et al., Storage of light in atomic vapour, Phys. Rev. Lett. 86, 783 (2001).
  http://xxx.arxiv.org/abs/quant-ph/0012138