29.03.2022

Licht in der Presse

Komprimierung von Photonengas zeigt interessantes Quantenverhalten.

Wenn man den Auslass einer Luftpumpe mit dem Finger verschließt, kann man ihren Kolben dennoch nach unten drücken. Grund: Gase lassen sich ziemlich leicht komprimieren, im Gegensatz etwa zu Flüssigkeiten. Befände sich in der Pumpe Wasser statt Luft, ließe sich der Kolben auch unter größter Kraft­anstrengung kaum bewegen.

 

Abb.: Das Herzstück des Experiments: Der optische Mikro­resonator realisiert...
Abb.: Das Herzstück des Experiments: Der optische Mikro­resonator realisiert die „Photonen-Box“. (Bild: V. Lannert / U. Bonn)

Gase bestehen üblicherweise aus Atomen oder Molekülen, die mehr oder weniger schnell durch den Raum schwirren. Ganz ähnlich ist es bei Licht: Seine kleinsten „Bausteine“ sind die Photonen, die sich in mancher Hinsicht wie Teilchen verhalten. Und auch aus diesen Photonen lässt sich ein Gas herstellen. Allerdings eines, das sich etwas ungewöhnlich verhält: Man kann es unter bestimmten Bedingungen fast ohne Kraftaufwand zusammen­drücken. Zumindest sagt das die Theorie voraus.

Eben diesen Effekt haben die Forscher vom Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bonn nun erstmals in der Praxis nachgewiesen. „Wir haben dazu Lichtteilchen in eine winzige Box aus Spiegeln gesperrt“, erklärt Julian Schmitt vom IAP, der in der Arbeitsgruppe von Martin Weitz habilitiert. „Je mehr Photonen wir dort hineingaben, desto dichter wurde das Photonengas.“

Normalerweise gilt: Je dichter ein Gas, desto schwerer lässt es sich komprimieren. Das ist auch bei der verschlossenen Luftpumpe der Fall – anfangs lässt sich der Kolben sehr leicht hinunter­drücken, doch irgendwann lässt er sich auch mit viel Kraft kaum weiterbewegen. Ähnlich war es zunächst auch bei den Bonner Experimenten: Je mehr Lichtteilchen in der Spiegelbox waren, desto schwieriger wurde es, sie zusammen­zupressen.

An einem bestimmten Punkt änderte sich das jedoch schlagartig: Sobald das Photonengas eine bestimmte Dichte überschritten hatte, ließ es sich plötzlich fast ohne Widerstand komprimieren. „Dieser Effekt ergibt sich aus den Regeln der Quantenmechanik“, erklärt Schmitt, der auch assoziiertes Mitglied im Exzellenzcluster „Matter and Light for Quantum Computing“ und Projektleiter im Transregio-Sonder­forschungs­bereich 185 ist. Der Grund: Die Licht­teilchen besitzen eine gewisse Unschärfe – ihr Aufenthaltsort ist etwas „verschmiert“. Wenn sie sich sehr nahe kommen, beginnen sich die Photonen zu überlappen. Man erhält eine „Quanten­entartung“ des Gases. Seine Kompression wird durch die Entartung erheblich leichter.

Ist die Überlappung stark genug, verschmelzen die Lichtteilchen zu einer Art Super-Photon, einem Bose-Einstein-Kondensat. Sehr vereinfacht lässt sich dieser Vorgang mit dem Gefrieren von Wasser vergleichen: Im flüssigen Zustand sind die Wasser­moleküle relativ ungeordnet; am Gefrierpunkt bilden sich dann erste Kristalle, die schließlich zu einer hoch geordneten Eisschicht zusammenwachsen. Auch kurz vor der Entstehung des Bose-Einstein-Kondensats bilden sich „Inseln der Ordnung“, die sich bei weiterer Zugabe von Photonen immer mehr vergrößern.

Das Kondensat entsteht erst dann, wenn die Inseln so stark gewachsen sind, dass sich die Ordnung über die gesamte Box erstreckt – vergleichbar einem See, auf dem die Eisschollen zu einer kompletten Fläche zusammen­gewachsen sind. Dazu braucht man bei einer kleinen Box eine viel geringere Anzahl von Lichtteilchen als bei einer großen. „Auch diesen Zusammen­hang konnten wir in unseren Experimenten erstmals nachweisen“, betont Schmitt.

Um ein Gas mit variabler Photonenzahl und definierter Temperatur zu erzeugen, verwenden die Forscher eine Art „Wärmebad“: „Wir geben in die Spiegel-Box Moleküle, die die Photonen absorbieren können“, erklärt Schmitt. „Danach strahlen sie neue Photonen ab, die im Mittel die Temperatur der Moleküle haben – in unserem Fall knapp 300 Kelvin, das ist etwa Raumtemperatur.“

Die Forscher mussten noch ein weiteres Problem lösen: Normalerweise sind Photonengase nicht gleichmäßig dicht – an manchen Stellen tummeln sich weitaus mehr Lichtteilchen als an anderen. Dies liegt an der Form der Falle, in die sie üblicherweise eingesperrt werden. „Wir haben in unseren Experimenten einen anderen Ansatz gewählt“, sagt Erik Busley, Erstautor der Publikation. „Wir fangen die Photonen in einer flachen Spiegel-Box, die wir mit Hilfe einer Mikro­strukturierungs­methode erzeugt haben. Damit ist es uns zum ersten Mal gelungen, ein homogenes Quantengas von Photonen zu erzeugen.“

Die quantenverstärkte Komprimierbarkeit des Gases ermöglicht in Zukunft die Forschung an neuartigen Sensoren, mit denen sich noch geringste Kräfte messen lassen könnten. Die Ergebnisse sind aber auch für die Grundlagen­forschung von großem Interesse.

U. Bonn / DE

 

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