Ein Forschungsteam der Universitäten Bonn und Heidelberg sowie der UNAM (Mexiko) untersuchte das kritische Verhalten von Photonen nahe eines Phasenübergangs. Dieses kritische Skalierungsverhalten, bei dem thermodynamische Größen kurz vor der Bose-Einstein-Kondensation extrem groß werden oder divergieren, war bei Lichtgasen zuvor nie beobachtet worden. Den Forschenden gelang nun genau dieser Nachweis. Sie vermaßen die räumlichen Korrelationen eines nahezu wechselwirkungsfreien 2D-Photonengases gefangen in einer Spiegelbox im Moment der Kondensation und bestimmten den kritischen Exponenten – eine Größe, die das starke Anwachsen der Korrelationslänge bei Änderung der Temperatur nahe des Phasenübergangs beschreibt.
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Hierfür wurden Lichtteilchen in einem optischen Mikroresonator gefüllt mit einer Farbstofflösung gefangen. Durch Absorption und Emission der Lichtteilchen an den Farbstoffmolekülen kühlten die Photonen effektiv ab – sie thermalisierten – bis die Quantenphase der Kondensation einsetzte. Außerdem wurde einer der Resonatorspiegel zuvor mit einer Laserschreibmethode im Nanometerbereich strukturiert. Dadurch entstand ein kastenartiges Potenzial. Anschließend wurde die Winkelverteilung des austretenden Lichts mit einer Kamera gemessen und per Fourier-Transformation ausgewertet um die räumlichen Korrelationen zu ermitteln.
Es zeigt sich erstmals experimentell, dass Lichtgase eine eigenständige, übergeordnete Universalitätsklasse physikalischer Systeme in der Natur darstellen. Vergleichbar mit Wasser, das am kritischen Punkt durch Opaleszenz plötzlich trüb wird, zeigt das Photonengas hier eine stark anwachsende und divergierende Korrelationslänge. Das Forschungsergebnis schließt eine wesentliche Lücke in der Physik der Phasenübergänge und hat das Potenzial spannende neue Grundlagenforschung zu Systemen fernab des thermischen Gleichgewichts sowie zukünftige optische Anwendungen zu eröffnen. [U Bonn / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
L. Kleebank, F. Vewinger, A. Camacho-Guardian, et al., Observation of critical scaling in the Bose gas universality class, Sci. Adv. 12 (35), 26. August 2026; DOI: 10.1126/sciadv.aee2942 - Optical Quantum Systems (Julian Schmitt), Kirchhoff-Institut für Physik, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
- AG Quantenoptik (Martin Weitz), Fachgruppe Physik/Astronomie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät, Universität Bonn
