Kondenslicht

Nachdem man entdeckt hatte, dass Licht sowohl Wellen- wie auch Teilchen-Aspekte vereint, postulierte Louis de Broglie, dass andersherum auch das, was bislang nur als Teilchen bekannt war, als Welle agieren sollte. Und tatsächlich konnte man auch mit Elektronen, Atomen und sogar Fullerenen Interferenzmuster wie beim Licht messen. Aber auch die andere Richtung gilt: Experimente die mit Teilchen wie Atomen durchgeführt wurden, sollten auch mit Photonen funktionieren. Photonen sind z.B. auch Bosonen, die die Eigenschaft haben alle im gleichen Energiezustand hocken zu können. Bei sehr starker Kühlung kann man eine Gruppe Atomen gemeinsam in den niedrigsten möglichen Energiezustand bringen – ein Bose-Einstein-Kondensat. Mit ein paar Tricks funktioniert das auch mit Licht!

“I never went in for afterglow
Or candlelight on the mistletoe

But now when you turn the lamp down low

I’m beginning to see the light”

Wenn Bosonen so gekühlt werden, dass sie in den Grundzustand hocken gehen, das bezeichnet man das zurecht als Kondensation: Denn es ist genau vergleichbar mit dem Gefrierprozess von Wasser, wenn man die Wassermoleküle soweit abkühlt, dass sie keine Luste mehr haben wild herumzuschwirren (oder zu fließen) und sich lieber regelmäßig in ein Gitter hocken. Die Festkörperphysik heißt schließlich auch “Physik der kondensierten Materie”. Wie aber funktioniert das nun mit Licht?

Die weiße Kiste

Die Forscher, die jetzt erfolgreich ein Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen erzeugt haben, sind Jan Klärs (nette Doktorarbeit!), Julian Schmitt, Frank Vewinger und Martin Weitz von der Arbeitsgruppe Quantenoptik am Institut für Angewandte Physik der Uni Bonn. Das Licht haben sie in “weiße Kiste” eingesperrt, eine Box mit gekrümmten Spiegeln, die möglichst perfekt reflektieren und somit die Photonen einsperren sollen. Da dies nie perfekt funktioniert, und immer einige Photonen verloren gehen, füttert ein Laser die Kiste mit Photonen nach. Damit lässt sich trotzdem die Grundbedingung für ein bose-Einstein-Kondensat, nämlich eine im Mittel gleiche Anzahl an Bosonen, erfüllen.
Die Photonen werden in einer solchen optischen Spiegelkiste beständig hin und her geworfen
und interferieren fleißig miteinander. Das heißt, aufgrund ihrer Welleneigenschaften löschen sie sich systematisch an manchen Stellen aus und häufen sich an anderen an. Es bilden sich stehende Wellen, genauso wie die Schwingungen auf einer beidseitig eingespannten Gitarrensaite. Man sagt, die Photonen besetzen sogenannte optische Moden. Eine Art davon, die Longitudinalmoden, also Schwingungen in Richtung der Ausbreitungsrichtung, werden in diesem Experiment unterdrückt. Das geschieht dadurch, dass man die Spiegel so dicht aneinderbringt, dass gar keine Schwingungen kleiner Energie hineinpassen. Und die möglichen Schwingungen würden viel mehr Energie benötigen, als zur Verfügung steht (etwa 80mal mehr als die Raumtemperatur liefert). Dadurch befinden sich die Photonen effektiv nur in Transversalmoden senkrecht dazu und sind somit zweidimensional eingesperrt. Die Folge davon, die günstig für das Experiment ist, ist dass sie sich wie Teilchen mit Ruhemasse (effektiver Masse) verhalten, nicht mehr wie masselose Photonen.

Farbiger Kühlschrank

Die Voraussetzungen, nämlich eine konstante Anzahl eingesperrter Bosonen, ist jetzt geschaffen, jetzt muss man das Licht nur noch weit genug abkühlen, um alle Photonen den tiefsten Energiezustand besetzen zu lassen. Durch die Begrenzung auf zwei Dimensionen hat man außerdem die Bedingungen geschaffen, bei denen dieser tiefste Zustand bei endlicher Temperatur erreicht werden kann. Und in diesem Fall ist es bei ausreichender Photonenanzahl sogar bei Raumtemperatur möglich! (Was dieses Experiment erstaunlicherweise eigentlich einfacher macht als die vor 15 Jahren erstmals bei tiefsten Temperaturen erzeugten Atom-BECs!)
Der Trick zur Kühlung der Photonen ist, dass die optische Spiegelkiste mit einer Farbstofflösung gefüllt wird. Die Farbstoff-Moleküle absorbieren und emittieren ständig neue Photonen, und zusätzliche Photonen bekommt man in die Kiste, indem man den erwähnten Laser einsetzt, um zunächst die Moleküle elektronisch anzuregen und diese Energie dann als Photonen ausgesandt werden.
Wenn wir von konstanter Photonenzahl sprechen, heißt das natürlich nicht dass es immer dieselben Photonen sind! Photonen werden einfach ständig neu (bei verschiedenen Frequenzen) ausgesandt und verschluckt, aber so schließlich schnell in ein Gleichgewicht getrieben, bei denen mehr Photonen sich an einer Frequenz ansammeln und keine mehr bei höheren Frequenzen gefunden werden, wie man in diesem Bild sieht:

Bildquelle: Uni Bonn

Der Gipfel und die Kante dahinter zeigen das Bose-Einstein-Kondensat auf einem Untergrund aus Photonen verschiedener Frequenz. Man kann sich das an den Photonen, die durch einen der Spiegel nach draußen dringen können, schließlich auch quasi mit dem Auge ansehen:

Bildquelle: Uni Bonn

Zwischen links und rechts erkennt man einen klaren Unterschied. Im rechten Bild sind Photonen im Grundzustand auskondensiert, daher ist der Lichtpunkt in der Mitte sehr viel heller.