Neuer Materiezustand: Lichtteilchen bilden Moleküle

Forscher aus den USA haben ein neues Verhalten von Photonen entdeckt: Unter bestimmten Umständen interagieren die Lichtteilchen und verhielten sich wie Moleküle. Die Forscher vergleichen dieses Verhalten mit den Lichtschwertern der Jedi.

Artikel veröffentlicht am 26. September 2013, 17:26 Uhr, Werner Pluta

Japanische Schauspieler mit Lichtschwertimitaten: Photonen verhalten sich, als hätten sie Masse. (Bild: Issei Kato/Reuters)

US-Wissenschaftler haben Photonen dazu gebracht, so miteinander zu interagieren, dass sie Moleküle bilden. Das sei ein neuer Materiezustand, sagen die Forscher. Angehende Jedi können sich schon bereitmachen: Der erste Schritt zum Lichtschwert ist damit getan.

"Die fundamentalen Eigenschaften des Lichts rühren von seinen Bestandteilen her - massenlosen Quanten (Photonen), die nicht miteinander interagieren", schreiben die Forscher um Michail Lukin von der Harvard-Universität und Vladan Vuletic vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in der Fachzeitschrift Nature. Ihnen sei es aber gelungen, ein Medium zu schaffen, in dem Photonen so miteinander interagierten, als hätten sie Masse, erklärt Lukin.

Photonen bilden Moleküle

Die Interaktion sei so stark gewesen, dass die Photonen sich wie ein Molekül verhielten. Ein solcher Zustand sei zwar schon länger in der Theorie diskutiert worden. "Er ist aber bis jetzt nicht beobachtet worden", sagt Lukin.

Ausgangspunkt des Experiments war eine Wolke von Rubidiumatomen in einer Vakuumkammer. Mit Hilfe eines Lasers kühlten die Wissenschaftler die Wolke bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Als Nächstes schossen sie mit einem schwachen Laser ein einzelnes Photon durch die Wolke. Das Lichtteilchen gab seine Energie an die Atome ab. Die Energie wurde von Atom zu Atom weitergegeben und verließ am Ende zusammen mit dem Photon die Wolke wieder.

Wie Lichtbrechung

"Wenn das Photon das Medium verlässt, bleibt seine Identität erhalten", sagt Lukin. Das sei ähnlich wie die Lichtbrechung im Wasser: "Das Licht kommt in das Wasser, gibt einen Teil seiner Energie an das Medium ab. Drinnen existiert es als Licht und Materie, die miteinander verbunden sind. Aber wenn es aus dem Wasser herauskommt, ist es immer noch Licht." Nur gebe das Licht in der Wolke mehr Energie ab und werde stark gebremst.

Als die Forscher aber zwei Photonen in die Rubidiumwolke schossen, passierte etwas Bemerkenswertes: Sie verließen die Wolke zusammen, als ein einziges Molekül. In der Wolke wirkt ein bestimmter Effekt: Wird ein Atom angeregt, können weitere Atome in dessen Nähe nicht in gleichem Maße angeregt werden. Wenn also zwei Photonen in die Wolke eindringen, regt das erste ein Atom an. Das zweite kann aber die Atome in der Nähe erst dann anregen, wenn sich das erste weiterbewegt hat.

Schieben und ziehen

Die beiden Photonen zögen und schöben sich gegenseitig durch die Wolke. "Es ist eine photonische Interaktion, die durch die atomare Interaktion herbeigeführt wird", sagt Lukin. "Sie bringt diese beiden Photonen dazu, sich wie ein Molekül zu verhalten, und wenn sie das Medium verlassen, dann zusammen und nicht als einzelne Photonen."

Das Verhalten der Photonen sei durchaus mit den Lichtschwertern in der Science-Fiction-Filmreihe Star Wars zu vergleichen, sagt Lukin. Es gebe aber auch näherliegende Anwendungen: Lichtteilchen sollen in Quantencomputern Informationen transportieren. Das Problem sei bisher gewesen, dass sie nicht miteinander interagierten. Sie hätten gezeigt, dass dies doch möglich sei. Eine andere mögliche Anwendung könnte sein, komplexe dreidimensionale Strukturen aus Licht zu erzeugen.

"Wozu es genau nützlich sein wird, wissen wir noch nicht. Es ist ein neuer Zustand der Materie", resümiert er. "Wir hoffen, dass sich neue Anwendungen herausbilden, wenn wir die Eigenschaften dieser photonischen Moleküle weiter untersuchen."