Neues Verfahren bringt Photonen in den niedrigsten Energiezustand

Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen

Bonn - Physiker der Universität Bonn haben erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen, also Lichtteilchen, hergestellt. In diesem Aggregatzustand haben alle Photonen die gleiche Energie. Die Entdeckung ermöglicht es möglicherweise, eine völlig neuartige Lichtquelle mit Lasereigenschaften auch für Strahlung im Röntgenbereich herzustellen.

Die Quantenmechanik besagt, dass Teilchen wie etwa Atome nur bestimmte Energien annehmen können. Für Bosonen, Teilchen mit einem ganzzahligen Spin, sind diese Energieniveaus durch die Bose-Eintein-Statistik bestimmt. Bei hohen Temperaturen befinden sich für gewöhnlich alle Bosonen in einem Behältnis auf einem unterschiedlichen Energieniveau. Das niedrigste erlaubte Energieniveau, der Grundzustand, wird von kaum einem Boson besetzt.

Die Energie der Teilchen hängt mit ihrer Temperatur zusammen. Kühlt man die Bosonen ab, so gelangen immer mehr in den Grundzustand. Die Bose-Einstein-Statistik sagt voraus, dass es eine kritische Temperatur gibt, bei der sich alle Teilchen im Grundzustand befinden. In diesem Zustand sind sie nicht mehr voneinander unterscheidbar und verhalten sich wie ein einziges Teilchen. Dies wird als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet.

Da Photonen ebenfalls Bosonen sind, müsste es theoretisch möglich sein, ein Bose-Einstein-Kondensat aus Licht zu erzeugen. Bisher gelang dies nicht, weil die Anzahl der Photonen nicht erhalten bleibt. Bei niedrigen Temperaturen verschwinden die masselosen Teilchen in die Wände des Behälters, anstatt den Grundzustand zu besetzen. Bisher konnten Wissenschaftler kein Verfahren zur Kühlung entwickeln, welches die Anzahl der Photonen erhält. Dies ist nun den Bonner Physikern Jan Klärs, Julian Schmitt, Frank Vewinger und Martin Weitz gelungen.

Um die Photonen gleichzeitig zu kühlen und zu konzentrieren, wendeten sie folgenden Trick an: Sie warfen Lichtstrahlen zwischen zwei Spiegeln ständig hin und her. Zwischen den beiden Spiegeln befanden sich Farbstoff-Moleküle. Diese nahmen die Photonen bei Stößen auf, um sie gleich darauf wieder freizugeben. Die Photonen erhielten bei diesem Vorgang allerdings die Temperatur der Farbstoff-Moleküle und kühlten sich so allmählich auf Raumtemperatur ab, ohne verloren zu gehen. Die Forscher erhöhten daraufhin die Anzahl der Photonen, indem sie Laserstrahlen auf die Farbstoff-Lösung lenkten. Die Farbstoff-Moleküle nahmen wiederum die Photonen dieser Laserstrahlen auf und entließen sie mit Raumtemperatur. Mit der Zeit befanden sich also immer mehr Photonen im gleichen Energiezustand. Diese bildeten das Bose-Einstein-Kondensat.

Wie bei einem Laser ist die Strahlung des so erzeugten Kondensats hoch kohärent. Das heißt, dass die Lichtwellen im Gleichtakt mit einem festen zeitlichen oder räumlichen Abstand zueinander schwingen. Bisher verwendete man allerdings nur Laserlicht mit langen Wellenlängen. Das Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen erlaubt nun möglicherweise, Licht mit Lasereigenschaften im UV- und Röntgenbereich zu erzeugen. Mit diesem würde sich sehr präzise arbeiten lassen, zum Beispiel in der Computer-Technologie. Hier wird Laserlicht genutzt, um Schaltkreise in Computer-Chips zu gravieren. Wie fein die Strukturen sein können, wird unter anderem durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt. Je kürzer die Wellenlänge, umso detailliertere Strukturen lassen sich schaffen. Auch bei Anwendungen der Spektroskopie oder der Photovoltaik könnte das Verfahren nützlich sein.