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Donnerstag, 26.05.2016
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Forscher schaffen einen Kristall aus Licht

Experiment bringt Photonen zu einem gekoppelten Verhalten

Manipuliertes Licht: In einem raffinierten Experiment haben Physiker Lichtteilchen quasi eingefroren. Miteinander verkoppelt bewegen sich die Photonen nicht mehr unabhängig voneinander, sondern im Verbund – ähnlich wie Atome in einem Kristallgitter. Das ist ein völlig neues, noch nie bei Licht beobachtetes Verhalten, wie die Physiker im Fachmagazin "Physical Review X" berichten. Auf Basis solcher Manipulationen könnten Materialien mit ganz neuen Eigenschaften entwickelt werden, aber auch grundlegende Erkenntnisse über die Natur des Lichts und der Materie.
Synchrone Wellen zeigen hier, dass sich die Photonen koordiniert wie ein einem Kristall verhalten.

Synchrone Wellen zeigen hier, dass sich die Photonen koordiniert wie ein einem Kristall verhalten.

Licht besitzt gleich einige ungewöhnliche Eigenschaften. Denn wie jede elektromagnetische Strahlung kann sie sich sowohl wie eine Welle als auch wie Teilchen verhalten. Die Lichtteilchen, Photonen, sind der gängigen Theorie nach absolute Einzelgänger: Wenn man zwei Laserstrahlen im rechten Winkel kreuzen lässt, scheinen sie dahinter genau hell weiter wie davor, sie passieren sich, ohne sich abzulenken oder anderweitig zu beeinflussen.

Eigentlich unmöglich: Wechselwirkung zwischen Photonen


Doch im Herbst 2013 gelang es US-Forschern erstmals, Licht so zu manipulieren, dass die Photonen sich kurzzeitig wie Moleküle verhielten – die einzelnen Lichtteilchen beeinflussten sich gegenseitig. James Raftery von der Princeton University und seine Kollegen haben dies nun noch einen Schritt weiter geführt: Sie brachten Licht dazu, sozusagen zu kristallisieren. Die Photonen hielten sich gegenseitig fest und bildeten dabei eine Art Gitter.

Um dies zu erreichen, konstruierten die Physiker einen sogenannten Jaynes-Cummings Dimer, einen Aufbau, in dem sich eine kleine Menge Photonen zwischen zwei Resonatoren hin und her bewegt. Unter bestimmten Bedingungen treten dabei Wechselwirkungen zwischen den Atomen des Aufbaus und den Lichtteilchen auf, die diese dazu bringen, auch miteinander zu wechselwirken – wie normale Materieteilchen. "Wir haben hier eine Situation geschaffen, in der zwei Photonen sehr stark miteinander interagieren können: In einem Zustand schwappt das Licht vor und zurück wie eine Flüssigkeit, im anderen – gefriert es", so die Forscher.


Kristallähnliches Verhalten


Die Lichtteilchen bilden dabei eine Art kollektives Verhalten, eine Einheit aus, ähnlich dem Atomgitter in einem Kristall. "Das ist etwas, das wir noch nie zuvor gesehen haben – ein für Licht völlig neues Verhalten", sagt Koautor Andrew Houck von der Princeton University. Das Lichtverhalten gleiche dem beim Phasenübergang von Materie wie es aus der Festkörperphysik bekannt sei. Wenn beispielsweise Wasser gefriert, ordnen sich die zuvor nur lose miteinander verbundenen und unabhängig voneinander beweglichen Wassermoleküle zu einem regelmäßigen, festen Gitter an. Durch diesen Phasenübergang entsteht ein Kristall – Eis.

Nach Ansicht der Forscher eröffnen solche Manipulationen des Lichts neue Möglichkeiten, um beispielsweise Materialien mit ganz neuen Eigenschaften zu entwickeln. Sie erlauben es aber auch, fundamentale Eigenschaften der Materie, von Atomen und Molekülen zu untersuchen. "Selbst mit diesen kleinen Systemen lässt sich eine Menge neuer Physik erforschen", erklärt Raftery. "Aber wenn wir dieses System noch vergrößern, können wir damit noch spannendere Fragen angehen." (Physical Review X, 2014; doi: 10.1103/PhysRevX.4.031043)
(Princeton University, Engineering School, 11.09.2014 - NPO)