Robert Klatt
Physiker haben mit einer speziellen Reflektorkammern erstmals ein eindimensionales Lichtgas erzeugt. Das Gas ermöglicht die Überprüfung von Thesen der theoretischen Physik, die zuvor nicht experimentell untersucht werden konnten.
Bonn (Deutschland). Photonen, also kleine Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht, wechselwirken normalerweise kaum miteinander. Im Gegensatz zu anderen Materieteilchen können sie sich deshalb kreuzen, ohne abgelenkt zu werden und sogar zur selben Zeit am selben Ort befinden. Unter bestimmten Bedingungen können Photonen jedoch interagieren, beispielsweise im optischen Bose-Einstein-Kondensat, indem sich Lichtteilchen wie ein Superphoton verhalten.
Ein weiterer exotischer Lichtzustand ist das sogenannte „Lichtgas“. Dieser Zustand kann im speziellen Reflektorkammern erreicht werden, die aus Licht ein bosonisches Gas erzeugen, indem sich Photonen ähnlich wie Atome verhalten und sich aus dem Weg gehen.
Physiker der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn um Kirankumar Umesh haben nun erstmals ein Lichtgas mit nur einer Dimension erzeugt. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature Physics haben die Wissenschaftler dazu eine Reflektorkammern mit einer speziellen Farbstofflösung modifiziert. Dieser Lichtkäfig konnte anschließend Photonen so einfangen, dass diese sich weder seitlich noch in der Höhe bewegen können.
„Wir nutzen eine neuartige Technik, um die Photonen einzuengen, indem wir Polymerstrukturen auf eine der Spiegeloberflächen drucken.“
Laut den Wissenschaftler sind die Polymerstrukturen kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Sie können deshalb die Bewegungsfreiheit der Photonen einschränken, was es den Physikern erstmals erlaubte, zu beobachten, welche Prozesse ablaufen, wenn ein ein- oder zweidimensionales Lichtgas in ein optisches Bose-Einstein-Kondensat umgewandelt wird.
Die Physiker konnten bei dem Experiment beobachten, dass beim Kondensieren von zweidimensionalem Lichtgas ein deutlicher Übergang zum optischen Bose-Einstein-Kondensat besteht. Die erkennbare Grenze ist ähnlich wie beim Phasenübergang von flüssigen Wasser zu Eis.
„In Photonengasen gibt es zwar sogenannte thermische Fluktuationen. Diese sind in zwei Dimensionen aber so klein, dass sie nicht weiter stören.“
Im eindimensionalen Lichtgas war die thermischen Fluktuationen hingegen so stark, dass es zu keinem geordneten Übergang kam. Laut den Physikern „schmierte“ der Phasenübergang umso stärker, je eindimensionaler das System war. Der Prozess ähnelt laut ihnen Wasser, das bei geringen Temperaturen Eiswasser wird, aber nie komplett gefriert.
„Uns ist es damit erstmals gelungen, dieses Verhalten am Übergang von einem zwei- zu einem eindimensionalen Photonengas zu untersuchen.“
Die Beobachtungen bestätigen erstmals experimentell Thesen der theoretischen Physik, laut denen es in einem eindimensionalen Photonengas wegen der starken Fluktuationen keinen scharfen Kondensationspunkt gibt. Angesichts dieses Erfolgs möchten die Physiker mit ihrem Lichtkäfig weitere Vorhersagen zu eingeengten Photonen untersuchen. Es handelt sich dabei um Grundlagenforschung, die später die Basis für neue Anwendungsmöglichkeiten für quantenoptische Effekte liefern könnte.
Nature Physics, doi: 10.1038/s41567-024-02641-7