von DIRK EIDEMÜLLER
So spannend die Laserschwert-Kämpfe im „Krieg der Sterne“ cineastisch inszeniert sind: Mit der Realität haben sie nichts zu tun. Denn wenn zwei Lichtstrahlen sich kreuzen, passiert normalerweise nichts: Lichtteilchen – auch Photonen genannt – beeinflussen sich normalerweise nicht.
Es gibt allerdings zwei Ausnahmen von der Regel: Beim Zusammenprall von Gammaquanten – extrem hochenergetischen Photonen – können neue Teilchen entstehen. Und auch niederenergetische Photonen in einem speziellen Quantengas können miteinander wechselwirken. Bei einem solchen Rydberg-Gas – benannt nach dem schwedischen Atomphysiker Johannes Rydberg – sind die Elektronen in den Atomen stark angeregt, kurz vor der Ionisierung. Dabei nimmt der Radius der Atome erheblich zu, wodurch diese wie winzige Antennen sehr empfindlich auf Photonen reagieren.
Diese Wechselwirkung gezielt zu manipulieren, hat sich zu einem wichtigen Gebiet der Quantenoptik entwickelt. Wissenschaftler versprechen sich davon neuartige Schalter und Schnittstellen für Quantencomputer und für die Quantenkommunikationstechnologie, mit der sich Daten abhörsicher übertragen lassen. Da diese Technologien auf der üblichen Lasertechnik beruhen, müssen sie im sichtbaren und infraroten Bereich funktionieren und nicht nur mit hochenergetischen Gammaquanten.
Photonen im Quantengas
Einem Forscherteam um Mikhail Lukin von der Harvard University und Vladan Vuletic´ vom Massachusetts Institute of Technology im US-amerikanischen Cambridge ist es nun erstmals gelungen, in einem Rydberg-Gas eine abstoßende Kraft zwischen Lichtteilchen zu erzeugen. Bislang ließ sich auf diese Weise nur eine Anziehung zwischen Photonen bewerkstelligen.
Das Forscherteam nutzte ein dichtes, ultrakaltes Gas aus Rubidium-Atomen, das in einer optischen Dipolfalle eingeschlossen war. Die winzige ellipsoide Atomwolke hatte eine Ausdehnung von nur rund 8 mal 32 Mikrometern. Mithilfe eines seitlichen Laserstrahls regten die Forscher die Atome stark an und erzeugten so ein Rydberg-Gas. Dessen Eigenschaften überprüften sie mit einem weiteren Laserstrahl.
Durch die geschickte Wahl weiterer gering angeregter atomarer Zustände gelang es den Wissenschaftlern, die Wechselwirkungen zwischen dem Gas und den hindurchfliegenden Photonen wahlweise auf abstoßend oder anziehend einzustellen. Ergebnis: „Die empfindlichen Rydberg-Atome wechselwirken sowohl miteinander als auch mit den Photonen“, sagt Aditya Venkatramani von der Harvard University. „Dadurch spüren die Photonen untereinander eine Kraft, die von ihrem Abstand abhängt.“
Bislang konnten Forscher nur entweder Anziehung oder Abstoßung erzeugen. In Zukunft wollen sie beides kombinieren: Wenn es gelingt, eine auf kurzen Abständen abstoßende, aber in größeren Abständen anziehende Kraft einzurichten, dann wären sogar „Photonenkristalle“ denkbar: Lichtteilchen, die wie die Atome in einem Kristall auf festen Gitterplätzen eingesperrt sind. Dies ließe sich sowohl für die moderne Quantentechnologie nutzen als auch zum Test fundamentaler Eigenschaften des Lichts.
