Bis vor kurzem galt es als unmöglich, doch jetzt ist es Physikern gelungen: Sie erzeugten ein Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen und damit eine völlig neue Art der Lichtquelle. Wie sie in „Nature“ berichten, könnte sich diese zur Konstruktion laserähnlicher, im Röntgenbereich leuchtender Lichtquellen eignen, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Hochleistungschips nötig sind.
Wenn man Rubidiumatome sehr stark abkühlt und genügend von ihnen auf kleinem Raum konzentriert, werden sie plötzlich ununterscheidbar: Sie verhalten sich wie ein einziges riesiges „Superteilchen“. Physiker sprechen von einem Bose-Einstein-Kondensat. Für Photonen müsste das eigentlich auch gehen. Leider scheitert dies aber an einem fundamentalen Problem: Wenn man Photonen abkühlt, verschwinden sie. Die Menge der Photonen wird mit sinkender Temperatur immer niedriger. Licht zu kühlen und gleichzeitig zu konzentrieren, schien daher bis vor einigen Monaten unmöglich.
Doppelspiegel als Photonenfalle
Den Bonner Physikern Jan Klärs, Julian Schmitt, Frank Vewinger und Professor Martin Weitz ist das nun dennoch gelungen – eine kleine Sensation. Sie nutzten dazu zwei hochreflektive Spiegel, zwischen denen sie einen Lichtstrahl ständig hin- und her warfen. Zwischen den Reflexionsflächen befanden sich gelöste Farbstoff-Moleküle, mit denen die Photonen regelmäßig kollidierten. Bei diesen Kollisionen verschluckten die Moleküle die Photonen und spuckten sie danach wieder aus.
„Dabei nahmen die Photonen die Temperatur der Farbstoff-Flüssigkeit an“, erklärt Weitz. „Sie kühlten sich also auf Raumtemperatur ab, und zwar ohne gleichzeitig verloren zu gehen.“ Die Physiker erhöhten nun die Menge der Photonen zwischen den Spiegeln, indem sie die Farbstofflösung mit einem Laser anregten. So konnten sie die abgekühlten Lichtteilchen so stark konzentrieren, dass sie zu einem „Super-Photon“ kondensierten.
Licht-Kondensat als kurzwellige Strahlungsquelle
Dieses photonische Bose-Einstein-Kondensat ist eine völlig neue Lichtquelle mit laserähnlichen Eigenschaften. Sie bietet aber gegenüber Lasern einen entscheidenden Vorteil: „Wir können heute keine Laser herstellen, die sehr kurzwelliges Licht erzeugen – also etwa UV- oder Röntgen-Licht“, erläutert Jan Klärs. „Mit einem photonischen Bose-Einstein-Kondensat sollte das dagegen gehen.“
Diese Aussicht dürfte vor allem Chip-Designer freuen: Sie nutzen Laserlicht, um logische Schaltkreise in ihre Halbleitermaterialien zu gravieren. Wie fein diese Strukturen sein können, wird unter anderem durch die Lichtwellenlänge begrenzt. Mit Röntgenlasern sollten sich daher im Prinzip auf derselben Siliziumfläche erheblich komplexere Schaltkreise unterbringen lassen. Das würde eine neue Generation von Hochleistungschips ermöglichen – und damit leistungsfähigere Computer für den Endanwender. Auch bei anderen Anwendungen wie zum Beispiel der Spektroskopie oder der Photovoltaik könnte das Verfahren nützlich sein.
(Universität Bonn, 25.11.2010 – NPO)
