Physiker erzeugen komprimierbares optisches Quantengas

Forscher der Universität Bonn haben ein Gas aus leichten Teilchen geschaffen, das sich extrem komprimieren lässt. Ihre Ergebnisse bestätigen die Vorhersagen zentraler Theorien der Quantenphysik. Die Erkenntnisse könnten auch den Weg zu neuartigen Sensoren weisen, die kleinste Kräfte messen können. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.

Wenn Sie den Auslass einer Luftpumpe mit dem Finger verstopfen, können Sie immer noch ihren Kolben nach unten drücken. Der Grund: Gase lassen sich relativ leicht komprimieren – anders als beispielsweise Flüssigkeiten. Wenn die Pumpe Wasser anstelle von Luft enthalten würde, wäre es praktisch unmöglich, den Kolben selbst mit größter Anstrengung zu bewegen.

Gase bestehen meist aus Atomen oder Molekülen, die mehr oder weniger schnell durch den Weltraum wirbeln. Ganz ähnlich verhält es sich mit Licht: Seine kleinsten Bausteine ​​sind Photonen, die sich in gewisser Weise wie Teilchen verhalten. Und diese Photonen kann man auch als Gas behandeln, das sich allerdings etwas ungewöhnlich verhält: Man kann es unter bestimmten Bedingungen fast mühelos komprimieren. Das sagt zumindest die Theorie voraus.

Photonen im Spiegelkasten

Forscher des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bonn haben genau diesen Effekt nun erstmals experimentell nachgewiesen. „Dazu haben wir Lichtteilchen in einem winzigen Kästchen aus Spiegeln gespeichert“, erklärt Dr. Julian Schmitt vom IAP, Principal Investigator in der Gruppe von Prof. Dr. Martin Weitz. „Je mehr Photonen wir dort hineingesteckt haben, desto dichter wurde das Photonengas.“

Meist gilt die Regel: Je dichter ein Gas ist, desto schwerer lässt es sich komprimieren. So auch bei der verstopften Luftpumpe – der Kolben lässt sich anfangs sehr leicht nach unten drücken, irgendwann lässt er sich aber auch mit viel Kraft kaum noch weiter bewegen. Die Bonner Experimente waren zunächst ähnlich: Je mehr Photonen sie in die Spiegelbox steckten, desto schwieriger wurde es, das Gas zu komprimieren.

Ab einem bestimmten Punkt änderte sich das Verhalten jedoch schlagartig: Sobald das Photonengas eine bestimmte Dichte überschritt, konnte es schlagartig nahezu widerstandslos komprimiert werden. „Dieser Effekt ergibt sich aus den Regeln der Quantenmechanik“, erklärt Schmitt, der auch assoziiertes Mitglied des Exzellenzclusters „Matter and Light for Quantum Computing“ und Projektleiter im Transregio-Sonderforschungsbereich 185 ist. Der Grund: Das Licht Partikel weisen eine „Unschärfe“ auf – vereinfacht gesagt, ihre Position ist etwas verschwommen. Da sie sich bei hohen Dichten sehr nahe kommen, beginnen sich die Photonen zu überlappen. Physiker sprechen dann auch von einer „Quantentartung“ des Gases. Und es wird viel einfacher, ein solches quantenentartetes Gas zu komprimieren.

Selbstorganisierte Photonen

Ist die Überlappung stark genug, verschmelzen die Lichtteilchen zu einer Art Superphoton, einem Bose-Einstein-Kondensat. Sehr vereinfacht lässt sich dieser Vorgang mit dem Gefrieren von Wasser vergleichen: Im flüssigen Zustand sind die Wassermoleküle ungeordnet; am Gefrierpunkt bilden sich dann die ersten Eiskristalle, die schließlich zu einer ausgedehnten, hochgeordneten Eisschicht verschmelzen. Auch „Ordnungsinseln“ bilden sich kurz vor der Entstehung des Bose-Einstein-Kondensats und werden durch weitere Photonenzugabe immer größer.

Erst wenn diese Inseln so stark angewachsen sind, dass sich die Ordnung über den gesamten Spiegelkasten mit den Photonen erstreckt, bildet sich das Kondensat. Das ist vergleichbar mit einem See, auf dem sich einzelne Eisschollen schließlich zu einer einheitlichen Oberfläche zusammengefügt haben. Dies erfordert natürlich eine viel größere Anzahl von Lichtteilchen in einer erweiterten Box als in einer kleinen. „Diesen Zusammenhang konnten wir in unseren Experimenten nachweisen“, betont Schmitt.

Um ein Gas mit variabler Teilchenzahl und genau definierter Temperatur zu erzeugen, nutzen die Forscher ein „Wärmebad“: „Wir bringen Moleküle in den Spiegelkasten ein, die die Photonen absorbieren können“, erklärt Schmitt. „Anschließend senden sie neue Photonen aus, die im Mittel die Temperatur der Moleküle besitzen – in unserem Fall knapp 300 Kelvin, also etwa Raumtemperatur.“

Außerdem mussten die Forscher eine weitere Hürde überwinden: Photonengase sind in der Regel nicht gleichmäßig dicht – an manchen Stellen befinden sich viel mehr Teilchen als an anderen. Das liegt an der Form der Falle, in der sie normalerweise enthalten sind. „Wir sind bei unseren Experimenten einen anderen Weg gegangen“, sagt Erik Busley, Erstautor der Publikation. „Wir fangen die Photonen in einem Spiegelkasten mit flachem Boden ein, den wir mit einem Mikrostrukturierungsverfahren erstellt haben. Damit konnten wir erstmals ein homogenes Quantengas aus Photonen erzeugen.“

Die quantenverstärkte Kompressibilität des Gases wird in Zukunft die Erforschung neuartiger Sensoren ermöglichen, die winzige Kräfte messen könnten. Neben technologischen Perspektiven sind die Ergebnisse auch für die Grundlagenforschung von großem Interesse.