Quantengas aus Licht: Physiker:innen bestätigen zentrale Theorien der Quantenphysik

Materieteilchen können nicht gleichzeitig den gleichen Raum einnehmen. Diese Grundregel ist die Basis der meisten Wechselwirkungen zwischen Atomen. Bei Licht sieht das jedoch anders aus: Lichtteilchen können sich auf ihrer Bahn direkt kreuzen, ohne sich gegenseitig zu behindern. Physiker:innen gelang es nun, Licht in einen Zustand zu zwingen, der sonst nur bei Teilchen der Materie bekannt ist: Sie überführten Photonen in einer Box in eine Art Quantengas, dessen Druckwiderstand mit der Photonendichte zunahm. Bei höherem Druck ging dieses Gas in einen Zustand der Quanten-Entartung über. So bestätigten die Forscher:innen zentrale Theorien der Quantenphysik.

Ein optischer Mikroresonator realisiert die „Photonenbox“.
Bild: Volker Lannert/Uni Bonn

Forscher:innen fangen Licht in einer Box

Photonen gehören zu den Bosonen und damit zu den Trägerteilchen der Grundkräfte. Daher ist es möglich, dass Lichtstrahlen sich kreuzen, ohne dass es zu Behinderungen zwischen den Teilchen kommt. Dennoch konnten Forscher:innen in der Vergangenheit zeigen, dass Photonen unter bestimmten Bedingungen dennoch untereinander Wechselwirkungen erzeugen können. Das Resultat sind dann exotische Zustände des Lichts, in denen Photonen sich zu Molekülen und Dreier-Gruppen verbinden.

Physiker:innen rund um Erik Busley von der Universität Bonn haben Licht nun auf neue Art und Weise in einen solchen Zustand gebracht. Im Zuge dessen bestätigten sie entscheidende Theorien der Quantenphysik. In ihrem Experiment nutzten die Wissenschaftler:innen eine Box aus zwei Spiegeln mit einer nanostrukturierten Oberfläche, die einen rund 80 Mikrometer kleinen Käfig bildeten. Anschließend strahlten sie über einen Laser Photonen ein.

Die beiden Spiegel reflektierten das Licht dann so, dass die Photonen sich quasi nur noch senkrecht und kaum noch seitlich bewegten. Ihr Verhalten glich sich dadurch dem eines Materieteilchens an und sie begannen, einander zu meiden. Spezielle Farbstoffmoleküle sorgten dann für eine gleichmäßige Verteilung und Temperatur der Lichtteilchen.

Zentrale Theorien bestätigt

So erhielten die Forscher eine Art Gas aus Licht, also eine Ansammlung von Photonen, die sich wie die Moleküle in einem Gas verhalten. Sie meiden einander und reagieren auf eine Erhöhung der Dichte entsprechend mit einem Widerstand. Je mehr Lichtteilchen in der Box waren, desto schwieriger wurde es entsprechend, sie zusammenzupressen.

„Damit ist es uns zum ersten Mal gelungen, ein homogenes Quantengas aus Photonen zu erzeugen„, so Busley. Ein derartiges Gas eröffne den Forscher:innen neue Möglichkeiten, die Eigenschaften des Lichts zu untersuchen.

Es gelang den Physiker:innen außerdem, eine wichtige theoretische Vorhersage zu derartigen Quantengasen zum ersten Mal im Experiment zu belegen. Bei Erhöhung der Photonen-Dichte in der Box kam es zu einer abrupten Veränderung des Verhaltens des Quantengases. „Bei Dichten von mehr als einem Photon pro Quadratmikrometer beobachteten wir einen scharfen Anstieg der Komprimierbarkeit„, so die Forscher:innen.

Im Anschluss sank der Widerstand auf Null und das Gas ließ sich ohne großartigen weiteren Aufwand von Energie weiter komprimieren. Dieser Effekt entspringt den Regeln der Quantenmechanik und ist als „Entartung“ bekannt. Diese ermöglicht eine Überlappung der von der Heisenbergschen Unschärfe geprägten Aufenthaltsorte der Lichtteilchen.

Mit ihren Ergebnissen bestätigten die Forscher:innen so zentrale Theorien der Quantenphysik. „Für ein optisches Quantengas wurden die Komprimierbarkeit und diese Zustandsgleichung bisher noch nie dokumentiert„, so das Team.

via Universität Bonn