Einen „Abdruck“ auf einem Superphoton erzeugen

Tausende Lichtteilchen können unter bestimmten Bedingungen zu einer Art „Superphoton“ verschmelzen. Forschern der Universität Bonn ist es nun gelungen, mithilfe „winziger Nano-Formen“ die Form dieses sogenannten Bose-Einstein-Kondensats zu beeinflussen. So gelingt es ihnen, aus dem Lichtfleck eine einfache Gitterstruktur aus vier quadratisch angeordneten Lichtpunkten zu formen.

Solche Strukturen könnten in Zukunft möglicherweise dazu genutzt werden, den Informationsaustausch zwischen mehreren Teilnehmern abhörsicher zu machen. Die Ergebnisse wurden nun veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Wenn eine große Zahl von Lichtteilchen auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt und gleichzeitig in einem kompakten Raum eingeschlossen wird, sind sie plötzlich nicht mehr voneinander zu unterscheiden und verhalten sich wie ein einzelnes Superphoton. Physiker nennen dies ein Bose-Einstein-Kondensat und es ähnelt normalerweise einem verschwommenen Lichtfleck.

„Uns ist es nun allerdings gelungen, dem Kondensat eine einfache Gitterstruktur aufzuprägen“, sagt Andreas Redmann vom Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bonn.

Die Forscher am IAP erzeugen Superphotonen, indem sie einen winzigen Behälter mit einer Farbstofflösung füllen. Die Seitenwände des Behälters sind reflektierend. Werden die Farbstoffmoleküle mit einem Laser angeregt, erzeugen sie Photonen, die zwischen den reflektierenden Flächen hin- und herspringen. Diese Lichtteilchen sind zunächst relativ warm. Auf ihrem Weg zwischen den reflektierenden Flächen stoßen sie jedoch immer wieder mit den Farbstoffmolekülen zusammen und kühlen dabei ab, bis sie schließlich zu einem Superphoton kondensieren.

Unebenheiten auf den reflektierenden Oberflächen beeinflussen das Design des Kondensats

„Normalerweise sind die spiegelnden Flächen vollkommen glatt“, erklärt Redmann. „Wir haben uns dafür entschieden, dort bewusst kleine Vertiefungen anzubringen, die dem Licht sozusagen mehr Platz bieten, sich darin zu sammeln.“ Dadurch wird dem Kondensat gewissermaßen eine Struktur aufgeprägt – fast so, als würde man eine Gussform mit der einen geschlossenen Seite nach unten in einen Sandkasten drücken: Hebt man sie wieder hoch, ist der Abdruck der Gussform im Sand noch immer zu sehen.

„Auf diese Weise ist es uns gelungen, vier Bereiche zu schaffen, in denen sich das Kondensat bevorzugt aufhält“, sagt Redmann. Das ist so, als würde man eine Schüssel Wasser auf vier quadratisch angeordnete Tassen aufteilen.

Anders als beim Wasser muss sich das Superphoton allerdings nicht zwangsläufig in vier kleinere Portionen aufspalten. Stehen die Becher nah genug beieinander, so dass die Lichtteilchen quantenmechanisch zwischen ihnen hin- und herfliegen können, bleibt ein einziges Kondensat übrig.

Diese Eigenschaft ließe sich etwa dazu nutzen, eine sogenannte Quantenverschränkung zu erzeugen. Ändert das Licht in einer Tasse seinen Zustand, hat dies auch Auswirkungen auf das Licht in den anderen Tassen. Diese quantenphysikalische Korrelation zwischen den Photonen ist eine Grundvoraussetzung dafür, den Informationsaustausch – etwa Gespräche oder geheime Transaktionen – zwischen mehreren Teilnehmern abhörsicher zu machen.

„Durch gezielte Veränderung der Form der reflektierenden Oberflächen ist es theoretisch möglich, Bose-Einstein-Kondensate zu erzeugen, die auf 20, 30 oder noch mehr Gitterplätze aufgeteilt sind“, erklärt Redmann.

„Damit ließe sich die Kommunikation vieler Gesprächsteilnehmer abhörsicher machen. Unsere Studie zeigt erstmals, wie sich bestimmte Abstrahlmuster gezielt erzeugen lassen, um sie für eine bestimmte Anwendung einzusetzen. Das macht die Methode für viele verschiedene technologische Entwicklungen hochinteressant.“