Störungen vereinfachen die Untersuchung von „Superphotonen“

Tausende Lichtteilchen können unter geeigneten Bedingungen zu einer Art „Superphoton“ verschmelzen. Physiker nennen einen solchen Zustand ein Photonen-Bose-Einstein-Kondensat.

Forscher der Universität Bonn haben nun gezeigt, dass dieser exotische Quantenzustand einem fundamentalen Theorem der Physik gehorcht. Diese Erkenntnis ermöglicht es nun, Eigenschaften von Photonen-Bose-Einstein-Kondensaten zu messen, die sonst nur schwer zugänglich sind. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Kühlt man viele Atome in einem kleinen Volumen auf sehr niedrige Temperaturen ab, können sie sich nicht mehr voneinander unterscheiden und verhalten sich wie ein einziges „Superteilchen“. Physiker sprechen in diesem Fall auch von einem Bose-Einstein-Kondensat oder Quantengas. Photonen kondensieren nach einem ähnlichen Prinzip und lassen sich mit Farbstoffmolekülen kühlen. Diese Moleküle wirken wie kleine Kühlschränke und verschlucken die „heißen“ Lichtteilchen, um sie bei der richtigen Temperatur wieder auszuspucken.

„Für unsere Experimente haben wir einen winzigen Behälter mit einer Farbstofflösung gefüllt“, erklärt Dr. Julian Schmitt vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. „Die Wände des Behälters waren stark reflektierend.“

Anschließend regten die Forscher die Farbstoffmoleküle mit einem Laser an. Dadurch entstanden Photonen, die zwischen den reflektierenden Oberflächen hin- und herprallten. Durch die wiederholte Kollision der Lichtteilchen mit den Farbstoffmolekülen kühlten sie ab und kondensierten schließlich zu einem Quantengas.

Superphotonen flackern wie eine Kerze

Dieser Prozess setzt sich allerdings auch danach fort: Immer wieder stoßen die Teilchen des Superphotons mit den Farbstoffmolekülen zusammen, werden verschluckt und wieder ausgespuckt. Das Quantengas enthält also mal mehr, mal weniger Photonen und flackert wie eine Kerze.

„Wir haben dieses Flackern genutzt, um zu untersuchen, ob ein wichtiger Satz der Physik in einem Quantengassystem gültig ist“, sagt Schmitt.

Dieses sogenannte „Regressionstheorem“ lässt sich mit einer einfachen Analogie verdeutlichen: Nehmen wir an, das Superphoton sei ein Lagerfeuer, das manchmal zufällig sehr stark auflodert. Nachdem das Feuer besonders hell lodert, erlöschen die Flammen langsam und das Feuer kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Interessanterweise kann man das Feuer auch gezielt zum Auflodern bringen, indem man Luft in die Glut bläst.

Vereinfacht ausgedrückt sagt der Regressionssatz voraus, dass das Feuer dann genauso weiterbrennt, als ob es zufällig aufgeflammt wäre. Das heißt, es reagiert auf die Störung genauso, wie es ohne Störung von selbst schwankt.

Luft in ein Photonenfeuer blasen

„Wir wollten herausfinden, ob dieses Verhalten auch für Quantengase gilt“, erklärt Schmitt, der auch Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Bausteine ​​der Materie“ und im Exzellenzcluster „Materie und Licht für Quantencomputing“ der Universität Bonn ist. Dazu maßen die Forscher zunächst das Flackern der Superphotonen, um die statistischen Schwankungen zu quantifizieren.

Anschließend bliesen sie – bildlich gesprochen – Luft ins Feuer, indem sie kurzzeitig einen weiteren Laser auf das Superphoton abfeuerten. Durch diese Störung flammte es kurz auf, bevor es langsam in seinen Ausgangszustand zurückkehrte.

„Wir konnten beobachten, dass die Antwort auf diese sanfte Störung genau der gleichen Dynamik folgt wie die zufälligen Schwankungen ohne Störung“, sagt der Physiker.

„Damit konnten wir erstmals zeigen, dass dieser Satz auch für exotische Materieformen wie Quantengase gilt.“

Interessanterweise ist dies auch bei starken Störungen der Fall. Systeme reagieren normalerweise auf stärkere Störungen anders als auf schwächere – ein extremes Beispiel ist eine Eisschicht, die plötzlich bricht, wenn die Belastung zu groß wird.

„Man nennt das nichtlineares Verhalten“, sagt Schmitt. „Allerdings bleibt das Theorem auch in diesen Fällen gültig, wie wir nun gemeinsam mit unseren Kollegen von der Universität Antwerpen zeigen konnten.“

Die Erkenntnisse sind für die Grundlagenforschung mit photonischen Quantengasen von großer Bedeutung, da man oft nicht genau weiß, wie diese in ihrer Helligkeit flackern werden. Viel einfacher lässt sich dagegen bestimmen, wie das Superphoton auf eine kontrollierte Störung reagiert.

„Dadurch können wir unter sehr kontrollierten Bedingungen Erkenntnisse über unbekannte Eigenschaften gewinnen“, erklärt Schmitt.

„Damit können wir zum Beispiel herausfinden, wie sich neuartige photonische Materialien, die aus vielen Superphotonen bestehen, in ihrem Kern verhalten.“