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14. April 2021

Ein neuer Zustand des Lichts

Lesezeit: ca. 3 Minuten
Der mit Farbstofflösung (gelb) gefüllte optische Mikroresonator. Rechts ist ein Mikroskopobjektiv zu sehen, das zur Beobachtung und Analyse des aus dem Resonator austretenden Lichts genutzt wird. (Foto: Gregor Hübl/Uni Bonn)

Ein einziges »Super-Photon« aus vielen Tausend einzelnen Lichtteilchen – rund zehn Jahre ist es her, dass Forscher der Universität Bonn einen solchen extremen Aggregatzustand zum ersten Mal herstellten und eine völlig neue Lichtquelle zeigten. Optisches Bose-Einstein-Kondensat nennt sich der Zustand.

Jetzt haben Wissenschaftler um den Entdecker Prof. Dr. Martin Weitz und dem theoretischen Physiker Prof. Dr. Johann Kroha einen neuen, bisher unbekannten Phasenübergang im optischen Bose-Einstein-Kondensat entdeckt: eine sogenannte überdämpfte Phase. Die Ergebnisse könnten langfristig für die verschlüsselte Quantenkommunikation relevant sein.

Was steckt hinter dem Bose-Einstein-Kondensat?

Das Bose-Einstein-Kondensat ist ein extremer Aggregatzustand, der üblicherweise nur bei sehr niedrigen Temperaturen stattfindet. Das Besondere: Die Teilchen in diesem System lassen sich nicht mehr unterscheiden und befinden sich überwiegend im selben quantenmechanischen Zustand, verhalten sich also wie ein einziges riesiges »Superteilchen«. Der Zustand kann daher durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden.

Dr. Julian Schmitt mit dem optischen Aufbau auf dem Messtisch am Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. Im schwarzen Kasten hinten links befindet sich der Pumplaser, dessen Licht in den Mikroresonator eingekoppelt wird. (Foto: Gregor Hübl/Uni Bonn)

Um ein Bose-Einstein-Kondensat aus Lichtteilchen (Photonen) zu erzeugen, fangen die Physiker Lichtteilchen in einem Resonator aus zwei gekrümmten Spiegeln ein, die in einem Abstand von nur etwas mehr als einem Mikrometer angeordnet sind und einen sich schnell hin- und herbewegenden Lichtstrahl reflektieren. Der Zwischenraum ist gefüllt mit einer flüssigen Farbstofflösung, die dazu dient, die Photonen abzukühlen. Dazu verschlucken die Farbstoffmoleküle die Photonen und spucken sie anschließend wieder aus, wodurch die Lichtteilchen auf die Temperatur der Farbstofflösung – entspricht Raumtemperatur – gebracht werden.

Hintergrund: Das System macht es überhaupt erst möglich, Lichtteilchen abzukühlen, denn ihre natürliche Eigenschaft ist es, sich bei Abkühlung aufzulösen.

Klare Trennung zweier Phasen

Phasenübergang – so nennen Physiker den Übergang zwischen Wasser und Eis beim Gefrieren. Innerhalb des Systems der eingefangenen Lichtteilchen funktioniert das so: Durch die etwas lichtdurchlässigen Spiegel gehen Photonen verloren und werden wieder ersetzt – ein Nichtgleichgewicht, das dazu führt, dass das System keine eindeutige Temperatur einnimmt und in eine Schwingung versetzt wird. Das lässt einen Übergang zwischen dieser oszillierenden Phase und einer gedämpften Phase entstehen. Gedämpft bedeutet, dass die Amplitude der Schwingung abnimmt.

»Die von uns beobachtete überdämpfte Phase entspricht sozusagen einem neuen Zustand des Lichtfelds«, sagt Erstautor Fahri Emre Öztürk, Doktorand am Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. Die Besonderheit ist, dass der Effekt des Lasers üblicherweise nicht von dem der Bose-Einstein-Kondensation durch einen Phasenübergang getrennt ist und es keine scharf definierte Grenze zwischen beiden Zuständen gibt. Das bedeutet, dass die Physiker kontinuierlich zwischen den Effekten hin- und herfahren können.

Das Forscherteam (von links): Prof. Dr. Martin Weitz, Dr. Julian Schmitt, Dr. Frank Vewinger, Prof. Dr. Johann Kroha und Göran Hellmann vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. (Foto: Gregor Hübl/Uni Bonn)

Im Experiment ist hingegen der überdämpfte Zustand des optischen Bose-Einstein-Kondensats durch einen Phasenübergang vom Zustand und einem üblichen Laser getrennt. »Das zeigt, dass es ein Bose-Einstein-Kondensat gibt, das wirklich ein anderer Zustand als der übliche Laser ist. Anders ausgedrückt, haben wir es mit zwei getrennten Phasen des optischen Bose-Einstein-Kondensats zu tun«, sagt Studienleiter Prof. Dr. Martin Weitz. Nun wollen die Wissenschaftler nach neuen Zuständen des Lichtfelds in mehreren gekoppelten Lichtkondensaten suchen, die in dem System ebenfalls auftreten können und beispielsweise dazu dienen könnten, quantenverschlüsselte Nachrichten zwischen mehreren Teilnehmern zu übertragen.

Publikation: Fahri Emre Öztürk, Tim Lappe, Göran Hellmann, Julian Schmitt, Jan Klaers, Frank Vewinger, Johann Kroha & Martin Weitz: Observation of a Non-Hermitian Phase Transition in an Optical Quantum Gas. Science, DOI: 10.1126/science.abe9869

In einem Video erklären die Forscher mehr zu ihrer Entdeckung.

www.uni-bonn.de