Neuer Rekord beim Stoppen von Licht

Ein neuer Rekord: Physiker haben erstmals Licht länger als eine Minute lang angehalten. Abgebremst durch einen Laserstrahl und eingesperrt in einem glasähnlichen Kristall, blieb die Lichtwelle wie eingefroren stehen und konnte dann auf Knopfdruck wieder losgelassen werden. Auch Bilder aus Licht speicherten die Forscher auf diese Weise eine Minute lang – eine Millionen Mal länger als bislang möglich. Anwenden ließe sich diese neue Technik beispielsweise für künftige, mit Licht operierende Datenverarbeitungssysteme.

Nichts ist schneller als das Licht – und lange Zeit galten seine Wellen quasi als unstoppbar. Doch seit einigen Jahren experimentieren Physiker mit extrem kalten Gasen und speziellen Materialien daran, Licht zumindest für kurze Zeiten zum Stehen zu bringen. Für Sekundenbruchteile ist dies auch bisher schon gelungen. Physiker der TU Darmstadt um Thomas Halfmann haben nun erstmals verschiedene bekannte Methoden auf raffinierte Weise so kombiniert, dass sie die Stoppzeit des Lichts deutlich erhöhen konnten.

Kristall und Laserlicht als Bremshilfen

Als „Bremsklotz“ diente den Physikern ein glasähnlicher Kristall, der in geringer Konzentration Ionen des Elementes Praseodym enthält. Zum Versuchsaufbau gehören zudem zwei Laserstrahlen. Der erste, der sogenannte Kontrollstrahl, dient als Bremse: Er verändert die optischen Eigenschaften des Kristalls so, dass die Ionen darin die Lichtgeschwindigkeit stark abbremsen. Der zweite, zu bremsende Laserstrahl trifft nun auf dieses neue Medium aus Kristall und Laserlicht und wird darin stark verlangsamt.

Wenn die Physiker den Kontrollstrahl im gleichen Moment abschalten, in dem sich der andere Strahl im Kristall befindet, kommt der gebremste Strahl darin ganz zum Stillstand. Genauer gesagt, verwandelt sich das Licht in eine im Kristallgitter gefangene Spinwelle. Die Praseodym-Ionen im Gitter werden dabei von Elektronen umkreist, deren Spin ihnen ein ähnliches Verhalten verleiht wie aneinander gereihte Magnete: Stößt man einen von ihnen an, pflanzt sich die Bewegung vermittelt durch magnetische Kräfte in der Reihe wie eine Welle fort. Beim Einfrieren des Laserstrahls ergibt sich so eine stehende Spinwelle als Abbild der Lichtwelle des Lasers.

Algorithmus steuert Abschirmung von Störwellen

Dass so bislang nur sehr kurze Speicherzeiten gelangen, liegt daran, dass Umwelteinflüsse die Spinwelle störten, ähnlich wie fahrende Schiffe Wellen in einem See durcheinanderbringen. Die Information über die gespeicherte Lichtwelle geht dabei nach und nach verloren. Lindern lassen sich die Umwelteinflüsse durch Anlegen eines Magnetfeldes sowie durch Hochfrequenz-Pulse. Diese Felder reduzieren sozusagen die Zahl der Störwellen auf dem See. Wie gut das gelingt, hängt empfindlich von der Stärke und Richtung des Magnetfeldes und der Hochfrequenz-Pulse ab. Dabei gibt es äußerst viele Variationsmöglichkeiten, und die optimale Einstellung lässt sich wegen der Komplexität kaum berechnen.

Daher haben die Darmstädter Forscher Computer-Algorithmen verwendet, die während des Experiments vollautomatisch und schnell die besten Lösungen finden. Mittels dieser Algorithmen konnten die Forscher Laserstrahlen, Magnetfeld und Hochfrequenz-Pulse so einstellen, dass die Spinwellen fast so lange überlebten wie es in dem Kristall überhaupt möglich ist. Auf diese Weise gelang es ihnen, sogar Bilder, zum Beispiel ein Streifenmuster, aus Laserlicht in dem Kristall zu speichern. Die Information lässt sich wieder auslesen, indem man den Laserstrahl erneut einschaltet.

Aufbauend auf diesem Erfolg will Halfmanns Team nun Techniken erforschen, um Licht noch deutlich länger – möglicherweise eine Woche lang – zu speichern, sowie eine höhere Breitbandigkeit und Datentransferrate der Informationsspeicherung durch gestopptes Licht zu erreichen.

(Technische Universität Darmstadt, 01.08.2013 – NPO)