Physiker erzeugen neuen Zustand des Lichts

Moleküle aus Licht: Forscher haben erstmals Photonen dazu gebracht, sich zu molekülähnlichen Dreiergruppen zusammenzuschließen. In diesem völlig neuen Zustand des Lichts verhalten sich die Photonen, als hätten sie eine geringe Masse und fliegen 10.000 Mal langsamer als normal, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten. Das gängige Bild von Photonen als nie miteinander interagierenden Einzelgängern ist damit wohl endgültig widerlegt.

Wenn zwei Lichtstrahlen sich kreuzen, geschieht normalerweise – nichts. Beide Strahlen lenken sich weder ab noch werden sie abgedimmt oder auf andere Weise beeinflusst. Der Grund: Im Gegensatz zu Materieteilchen wechselwirken die masselosen Photonen nicht miteinander. Sie sind sozusagen notorische Einzelgänger – so jedenfalls die gängige Theorie.

Gebundenes Licht

Doch vor einigen Jahren entdeckten Forscher um Vladan Vuletic vom Massachusetts Institute of Technology, dass man Photonen dazu bringen kann, einen für sie scheinbar unmöglichen Zustand einzunehmen: Lenkt man einen schwachen Laserstrahl durch eine Wolke ultrakalter Rubidiumatome, treten einige der Photonen am andere Ende paarweise aus.

Die Photonen verhalten sich dabei, als wären sie miteinander verbunden – wie in einem Molekül. „Eine passende Analogie wären die aus Science-Fiction-Filmen bekannten Laserschwerter“, erklärt Vuletic. „Wenn diese Photonen miteinander interagieren, schubsen sie sich und lenken einander ab – die Physik dahinter ist ähnlich dem, was in den Lichtschwertern ablaufen müsste.“

So läuft es normalerweise: Lichtstrahlen kreuzen sich, ohne dass sie sich dabei gegenseitig beeinflussen. © nelic/ iStock.com

Photonen in der Atomwolke

Die große Frage aber ist: Können die Lichtteilchen jeweils nur paarweise interagieren, oder kann man sie auch zu größeren „Molekülen“ zusammenbringen? Genau dies haben Vuletic und seine Kollegen nun getestet. In ihrem Experiment nutzten sie wieder eine Wolke ultrakalter und damit nahezu stillstehender Rubidiumatome. Durch diese Atomwolke schickten sie einen so schwachen Laserstrahl, dass immer nur eine Handvoll Photonen auf einmal in der Wolke sind.

Die Forscher registrierten dabei nicht nur den Flug der Photonen, sondern auch ihre Phase vor und nach der Passage durch die Wolke. Dadurch konnten sie genauer als zuvor feststellen, ob und mit wie vielen weiteren Lichtteilchen die Photonen wechselwirkten. Denn wie sie erklären, lässt sich dies am Ausmaß der Phasenverschiebung ablesen.

Tripletts aus verknüpften Photonen

Und tatsächlich: Die Photonen traten nicht zufällig verteilt aus der Atomwolke aus. Stattdessen bildeten sie Zweier- und Dreiergruppen. Die Phasenverschiebung war bei den Dreiergruppen dreimal so groß wie bei den Photonenpaaren. „Das bedeutet, dass die Photonen in diesen Dreiergruppen nicht nur jeweils einzeln mit einem zweiten interagieren, sondern dass sie alle drei miteinander wechselwirken“, erklärt Koautor Aditya Venkatramani von der Harvard University.

Damit haben die Forscher einen weiteren zuvor unbekannten Zustand des Lichts erzeugt: Licht aus Triplett-„Molekülen“ von Photonen. In diesem Zustand reagieren die Photonen so träge als hätten sie eine geringe Masse und auch ihre Geschwindigkeit ist gegenüber der normalen Lichtgeschwindigkeit verringert: Die Dreiergruppen sind rund 10.000-fach langsamer, wie die Wissenschaftler feststellten.

So kann man sich eine Wechselwirkung von Photonen vorstellen: Als wenn die Strahlen von zwei Taschenlampen sich gegenseitig ablenken würden. © Christine Daniloff/ MIT

Quasiteilchen als Bindungshelfer

Doch wie kommen diese exotischen Licht-Moleküle zustande? Die Physiker vermuten, dass es in der Atomwolke zu einer besonderen Wechselwirkung der Photonen mit den Atomen kommt. Kommen sie in Kontakt, wird das Atom angeregt und bildet mit dem Photon ein Polariton – ein Quasiteilchen, das energetisch wie ein Hybrid reagiert.

Bilden nun zwei oder drei Photonen solche Polaritons, treten ihre atomaren Komponenten in Wechselwirkung und ziehen die an sie gebundenen Photonen zuzusagen mit hinein. Es entsteht so eine Verknüpfung zwischen den Photonen, wie die Forscher erklären. Diese bleibt selbst dann noch erhalten, wenn die Photonen die Atomwolke verlassen und die atomare Komponente der Polaritons zurückbleibt.

„Das Spannende daran ist, dass die Photonen sich an das, was in der Wolke passiert, offenbar ‚erinnern'“, sagt Vuletics Kollege Sergio Cantu. Dadurch bleiben die Lichtteilchen auch nach Verlassen der Atomwolke miteinander verknüpft. „Die photonischen Dimere und Trimere besitzen Wellenfunktionen, die von der Zahl der gebundenen Photonen abhängig sind und ihre Form behalten“, so die Physiker.

Nützlich für Quantencomputer

Diese neue Form des Lichts könnte in Zukunft durchaus praktische Anwendungen haben, wie die Forscher erklären. Denn die „Lichtmoleküle“ bieten eine neue Möglichkeit, Quanteninformationen zu kodieren und zu übertragen. Auch ultraschnelle, komplexe Quantenberechnungen könnten damit durchgeführt werden. Ob allerdings mit diesem gebundenen Licht jemals Laserschwerter wie in der Star Wars-Saga möglich werden, bleibt abzuwarten.

Die Physiker wollen nun untersuchen, ob sich das Licht noch zu weiteren Formen der Wechselwirkung bringen lässt – beispielsweise einer gegenseitigen Abstoßung. „Das Ganze ist etwas völlig Neues und wir wissen absolut nicht, was wir erwarten sollen“, sagt Vuletic. „Bilden sich abstoßende Photonen ein regelmäßiges Muster? Oder passiert etwas ganz anderes? Es ist eine echte Terra incognita.“ (Science, 2018; doi: 10.1126/science.aao7293)

(Massachusetts Institute of Technology, 16.02.2018 – NPO)