Donnerstag, 26. September 2013

Forscher erzeugen bislang unbekannte Materieform aus Licht


Geradeso wie Science-Fiction-Lichtschwerter verhalten sich die neu erzeugten Photonen-Moleküle (Illu.). | Copyright: grewi.de

Cambridge (USA) - US-Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, Lichtteilchen dazu zu bringen, nicht wie bislang erwartet einzeln zu agieren, sondern einen molekülartigen Verbund einzugehen. Bislang galt ein solcher Materiezustand nur theoretisch als möglich, widerspricht er doch gänzlich der bisherigen Vorstellungen von der Natur des Lichts.

Wie die Forscher um Professor Mikhail Lukin von der Harvard University und Professor Vladan Vuletic vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) aktuell im Fachjournal "Nature" (DOI: 10.1038/nature12512) berichten, widerspreche die Entdeckung der jahrzehntelangen wissenschaftlichen Vorstellung von der Natur des Lichts - galten Photonen (Lichtteilchen) bislang doch als masselose Partikel, die nicht miteinander interagieren. "Wenn sich zwei Laserstrahlen kreuzen", so erläutert Lukin die klassische Vorstellung von Lichtteilchen, durchdringen sie sich einfach gegenseitig. "Photonische Moleküle", so die Bezeichnung der Forscher für ihr neuen Konstrukt, "verhalten sich hingegen weniger wie traditionelle Laser, sondern vielmehr wie Laserschwerter aus einem Science-Fiction-Film."


Während Photonen tatsächlich keine Masse besitzen und normalerweise nicht miteinander interagieren, haben die Forscher ein besonderes Medium erzeugt, in dem die Lichtteilchen nun miteinander sogar so stark interagieren, dass sie beginnen derart zu agieren als hätten sie Masse und sich sogar in molekülartigen Strukturen miteinander verbinden. Diese Form von Photonen-Verbund wurde bislang zwar schon theoretisch als möglich diskutiert, bislang jedoch noch nie in der Realität beobachtet.


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Dieses Medium erzeugten die Forscher, in dem sie Rubidium-Atome in eine Vakuumkammer pumpten und dann diese Wolke aus Atomen mittels Lasern auf wenige Grad über den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) herunterkühlten. Danach feuerten sie mit einem extrem schwachen Laser einzelne Photonen in die heruntergekühlte Wolke.


"Als die Photonen dann in diese Wolke aus kalten Atomen eindrangen, regte ihre Energie die Atome entlang des (Laser)-Strahls an, was die Photonen wiederum stark verlangsamte. Auf ihrem Weg durch die Wolke, wurde die Energie von einem zum nächsten Atom weitergegeben und verlies die Wolke dann wieder gemeinsam mit den Photonen."


Als die Forscher dann jedoch zwei Photonen gleichzeitig in die Wolke schossen, verließen diese beiden Photonen die Wolke nicht mehr als von einander getrennte Teilchen sondern als miteinander molekülartige verbundene Einheit. Der Grund hierfür war, dass die Photonen innerhalb der Wolke miteinander interagierten. Das führe dazu, dass sie sich gegenseitig schieben und ziehen. Dieser für Lichtteilchen eigentlich gänzlich untypische Effekt, "bringt die Photonen dazu, sich wie Moleküle zu verhalten und die Wolke gemeinsam zu verlassen."


Tatsächlich sei der Vergleich zu den Star-Wars-Lichtschwertern nicht nur eine bildhafte Analogie, so Lukin: "Wenn diese Photonen miteinander interagieren, so stoßen sie gegeneinander und lenken einander ab. Die Physik dessen, was mit diesen Molekülen passiert gleicht tatsächlich dem, was wir in den Science-Fiction-Filmen sehen."


Obwohl der Effekt ungewöhnlich sein, könne er durchaus zu praktischen Anwendungen führen: "Zwar haben wir das zunächst aus dem Spaß heraus getan, die Grenze der Wissenschaft voranzutreiben", so Lukin. Doch könnte die Methode zukünftig auch zu einer besseren Übertragung von Quanteninformationen. "Bislang galten Photonen als das beste Medium für den Transport von Quanteninformationen. Das Handikap bestand aber darin, dass die Lichtteilchen eben nicht miteinander interagieren. Genau dies aber haben wir in unserem Experiment erreicht." Bevor nun jedoch Quantenschalter und Photonen-Schaltkreise hergestellt werden können, muss die Leistung des Systems noch verbessert werden. Das Prinzip als solches funktioniere aber bereits.


Auch für klassische Computersysteme könnte das System von Nutzen sein, etwa bei der Chip-Herstellung und dem Ziel der Herstellung optischer Router, die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln sollen. Zudem könnte die Methode zukünftig dazu benutzt werden, komplexe, dreidimensionale Licht-Kristalle herzustellen. "Wozu diese dann verwendet werden können, wissen wir zwar noch nicht. Aber es ist ein neuer Materiezustand und wir sind zuversichtlich, dass sich aus seiner weiteren Erforschung neue Anwendungsmöglichkeiten ergeben."


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Quelle: harvard.edu
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