Forscher erzeugen „Stempelabdruck“ in Super-Photon
Unter bestimmten Bedingungen können Tausende von Lichtteilchen zu einer Art „Super-Photon“ verschmelzen. Forscher der Universität Bonn haben nun eine Art „Nanoförmchen“ genutzt, um die Gestalt dieses sogenannten Bose-Einstein-Kondensats zu beeinflussen. Dadurch konnten sie den Lichtfleck zu einer einfachen Gitterstruktur aus vier quadratisch angeordneten Lichtpunkten formen. Zukünftig lassen sich solche Strukturen eventuell nutzen, um den Informationsaustausch zwischen mehreren Teilnehmern abhörsicher zu machen. Die Ergebnisse sind nun in den Physical Review Letters erschienen.
Wenn man viele einzelne Lichtteilchen stark abkühlt und gleichzeitig auf kleinem Raum zusammensperrt, werden sie plötzlich ununterscheidbar: Sie verhalten sich dann wie ein einziges Super-Photon. In der Physik spricht man von einem Bose-Einstein-Kondensat. Normalerweise ähnelt es einem etwas verwaschenen Lichtfleck. „Uns ist es nun aber gelungen, dem Kondensat eine einfache Gitterstruktur aufzuprägen“, erklärt Andreas Redmann vom Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bonn.
Die IAP-Forscher erzeugen Super-Photonen, indem sie einen winzigen Behälter mit einer Farbstofflösung füllen. Die Seitenwände des Behälters sind verspiegelt. Werden die Farbstoffmoleküle mit einem Laserstrahl angeregt, produzieren sie Photonen, die zwischen den Spiegeln hin und her geworfen werden. Diese Lichtteilchen sind ursprünglich relativ warm. Bei ihrer Reise zwischen den Spiegeln stoßen sie jedoch immer wieder mit Farbstoffmolekülen zusammen. Dabei werden sie heruntergekühlt, bis sie schließlich zu einem Super-Photon kondensieren.
Unebenheiten auf den Spiegeln beeinflussen Gestalt des Kondensats
„Normalerweise sind die Spiegel völlig glatt“, erklärt Redmann. „Wir haben auf ihnen aber ganz gezielt kleine Vertiefungen aufgebracht. Diese lassen dem Licht bildlich gesprochen mehr Raum, sodass es sich dort sammelt.“ Dadurch wird dem Kondensat gewissermaßen eine Struktur aufgestempelt - fast als würde man ein Förmchen mit seiner geschlossenen Seite voran in den Sandkasten pressen: Wenn man es danach wieder anhebt, bleibt im Sand der Abdruck des Förmchens zurück.
„Uns ist es auf diese Weise gelungen, vier Regionen zu erzeugen, in denen sich das Kondensat bevorzugt aufhält“, sagt Redmann. Es ist, als würde man eine Schüssel mit Wasser auf vier zum Quadrat angeordnete Becher verteilen. Anders als Wasser wird das Super-Photon dabei aber nicht zwangsläufig in vier kleinere Portionen zerlegt - wenn die Becher dicht genug aneinander stehen, sodass die Lichtteilchen quantenmechanisch zwischen ihnen hin und her fließen können, handelt es sich immer noch um ein einziges Kondensat.
Diese Eigenschaft ließe sich beispielsweise nutzen, um sogenannte Quantenverschränkungen zu erzeugen. Wenn das Licht in einem Becher seinen Zustand ändert, wirkt sich das dann auch auf das Licht in den anderen Bechern aus. Diese quantenphysikalische Korrelation zwischen den Photonen ist eine Grundvoraussetzung dafür, den Informationsaustausch zwischen mehreren Teilnehmern abhörsicher zu machen, zum Beispiel Gespräche oder geheime Transaktionen.
„Durch die gezielte Veränderung der Spiegeloberflächen lassen sich theoretisch Bose-Einstein-Kondensate erzeugen, die sich über 20, 30 oder sogar noch mehr Gitterpunkte verteilen“, erklärt Redmann. „Damit ließe sich dann die Kommunikation zwischen vielen Gesprächspartnern absichern. Unsere Studie zeigt erstmals, wie sich je nach Anwendungszweck ganz gezielt bestimmte Emissionsmuster herstellen lassen. Das macht die Methode für viele unterschiedliche technologische Entwicklungen hochinteressant.“
Förderung:
Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), die Europäische Union (ERC Starting Grant) und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) gefördert.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Andreas Redmann
Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn
Tel. +49 228/73-60458
E-Mail: redmann@iap.uni-bonn.de
Originalpublikation:
Andreas Redmann, Christian Kurtscheid, Niels Wolf, Frank Vewinger, Julian Schmitt und Martin Weitz: Bose-Einstein Condensation of Photons in a Four-Site Quantum Ring; Physical Review Letters; DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.093602; URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.093602
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