Geheimnisvolles Licht

Dabei war entscheidend, dass Licht entsprechend seiner Quantennatur sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzt. Den Photonen lässt sich eine Wellenlänge zuordnen, die von ihrer Energie und damit von ihrer Temperatur abhängt.

Photonen erhalten Masse

Die Bonner Forscher haben für ihr Experiment das Licht in einen winzigen speziellen Kasten gesperrt: einen sogenannten Nanoresonator (siehe Grafik „Licht in der Falle“). Er besteht aus zwei extrem glatten spiegelnden Oberflächen, die nur rund 1,5 Mikrometer (Millionstel Meter) auseinanderliegen. Die untere Oberfläche ist strukturiert. Sie besitzt eine kastenförmige Erhebung. In diesen winzigen Kasten haben die Physiker einen Farbstoff eingebracht. Außerdem lässt sich der Nanoresonator durch eingestrahltes Laserlicht mit Photonen „befüllen“ (siehe Grafik „Licht in der Falle“). Durch die Wechselwirkung mit dem Farbstoff nimmt das Licht sehr schnell dessen Temperatur an.

Und hier kommt der Clou: Die Photonen konnten sich zwischen den Rändern des Kastens zwar frei bewegen, waren allerdings zwischen Boden und Deckel eingesperrt, sodass diese Bewegungsrichtung wegfiel. Aus der üblichen Bewegungsfreiheit in drei Dimensionen war ein zweidimensionales „Lichtgas“ entstanden, das wegen dieser reduzierten Dimensionalität ganz neue, exotische Eigenschaften besitzt.

„In der Quantenoptik spricht man in so einem Fall davon, dass eine Bewegungsrichtung ‚ausgefroren‘ ist“, sagt Schmitt. „Bei Photonen führt das dazu, dass sie eine Ruhemasse erhalten, obwohl Lichtteilchen normalerweise masselos sind.“

Die Photonen verhielten sich also zunehmend wie normale Materieteilchen. In einem klassischen dreidimensionalen Photonengas ist ein solches Verhalten nicht möglich. Die resultierende Masse ist freilich außerordentlich gering: etwa 10–35 Kilogramm – rund fünf Größenordnungen kleiner als die Masse eines Elektrons und nur ein Zehntel so groß wie die eines Rubidium-Atoms.

Licht lässt sich verdichten

Mit einem weiteren Trick gelang es den Forschern, die Komprimierbarkeit des Photonengases zu bestimmen. „Wir haben den Abstand der beiden Spiegel – also von Boden und Deckel des Resonators – mithilfe eines Piezokristalls verändert und dabei die wirkende Kraft gemessen“, sagt Schmitt. „Das ist im Prinzip ähnlich wie beim Betätigen einer Luftpumpe mit blockiertem Auslass: Man sperrt das Gas in einen Kasten und übt Kraft auf die Gefäßwände aus, um es zu komprimieren.“ Je nachdem, wie schwer diese Volumenänderung fällt, ist die Kompressibilität niedrig oder hoch.

Dabei zeigte sich der erstaunliche Effekt der Bose-Einstein-Kondensation. Denn normalerweise lässt sich ein Gas umso schwerer komprimieren, je mehr Teilchen es enthält, je dichter es also ist. Der „Herdentrieb“ der Lichtteilchen führte allerdings dazu, dass sich diese Gesetzmäßigkeit umkehrte: Ab der notwendigen Photonendichte, bei der sich ein Bose-Einstein-Kondensat bildet, stieg die Kompressibilität rasant an statt abzunehmen. Bei etwa einem Photon pro Quadratmikrometer beginnen Quanteneffekte zu dominieren und führen zu einer Quantenentartung. (Die sogenannte Kohärenzlänge der Wellenpakete überlappt sich und die Kompressibilität wächst schließlich exponentiell.)

Man kann sich das kaum anschaulich vorstellen. Es ist ungefähr so, als wären die kondensierten Photonen plötzlich keine Schafe mehr, sondern Gespensterschafe, die sich wechselseitig durchdringen können und sich auf einmal alle zusammenschieben lassen, ohne dem äußeren Druck – sozusagen dem Hirtenstab (Resonatordeckel) – noch großen Widerstand zu leisten.

In Zukunft wollen die Forscher weitere Dimensionen des Lichts ausfrieren, um noch mehr Quanteneigenschaften zu untersuchen. So kleine Resonatoren lassen sich derzeit allerdings noch nicht anfertigen.

Aber auch die jetzigen Systeme ermöglichen einzigartige Experimente. Denn Licht lässt sich hervorragend manipulieren. „Mit kondensiertem Licht können wir andere Systeme aus der Vielteilchenphysik simulieren, wo besondere Eigenschaften für Effekte wie Turbulenz oder Suprafluidität eine wichtige Rolle spielen“, sagt Julian Schmitt.

Anziehende Atome durch Licht

Einer anderen Forschungsgruppe ist es kürzlich erstmals gelungen, einen schon lange vorhergesagten Effekt nachzuweisen, bei dem Licht und Materie in besonderer Weise wechselwirken. In diesem Experiment sorgten Lichtstrahlen dafür, dass sich neutrale Atome, die sich normalerweise nicht gegenseitig beeinflussen, wechselseitig anziehen. Auch bei diesem Experiment spielte ein Bose-Einstein-Kondensat eine entscheidende Rolle – allerdings nicht aus Lichtteilchen, sondern aus Rubidium-Atomen.

„Zunächst haben wir Rubidium-Atome in einer magnetischen Falle eingefangen und bis dicht an den Absoluten Temperatur-Nullpunkt heruntergekühlt“, sagt Philipp Haslinger von der Technischen Universität Wien. „Bei solchen tiefen Temperaturen gehen die Rubidium-Atome in den Zustand eines Bose-Einstein-Kondensats über.“

Jetzt waren die ungefähr 10.000 Atome so brav wie die Schäfchen auf der Wiese und sprangen nicht mehr ungeordnet umher. Dadurch konnten die Forscher extrem kleine Kräfte messen, die die Atome beeinflussten. Das war der Schlüssel für die Bestimmung der Dipol-Wechselwirkung.

„Dazu haben wir einen Laserstrahl auf die Wolke aus Rubidium-Atomen geschickt“, sagt Haslinger. Das elektrische Feld des Strahls hatte einen polarisierenden Effekt auf die Elektronen in der Hülle der Rubidium-Atome und ließ sie ein wenig hin und her schwingen. Ähnlich wie in einer Radioantenne bildeten sich somit atomare Dipole. Da benachbarte Atome denselben Effekt spürten, wurden sie in gleicher Weise polarisiert. Dieser Effekt ist altbekannt, doch Wissenschaftler konnten nun erstmals die winzige Kraft messen, die zwischen den Atomen entstand.

„Dazu schalteten wir die magnetische Falle plötzlich aus und ließen die Atome für 44 Millisekunden frei herunterfallen“, sagt Haslinger. Mithilfe eines Fluoreszenzbilds vermaßen er und sein Team dann die Verformung des Atomwolke und bestimmten daraus die Dipolkräfte. „Wenn die Dichte der Atomwolke und andere Parameter stimmen, ist die Wechselwirkung zwischen den atomaren Dipolen erstaunlich groß, sogar bei unterschiedlichen Laser-Wellenlängen“, erläutert Haslinger.

Verblüffend an diesem Experiment ist auch, dass man gar keinen wohldefinierten Laserstrahl braucht, um die Dipol-Wechselwirkung hervorzurufen. Der Effekt lässt sich mit normalem, breitbandigem (thermischem) Licht erzielen – also mit genau dem Licht, das durch den Weltraum zieht und dabei mit Materie wechselwirkt. Sternenlicht könnte also interstellare Gaswolken über einen solchen Effekt beeinflussen. „Das ist eine spannende mögliche Konsequenz aus dieser Forschung, die derzeit aber noch sehr spekulativ ist“, sagt Haslinger. „Wir wollen sie in Zukunft gemeinsam mit Astrophysikern näher erörtern.“

Kollidierendes Licht erzeugt Materie

Auch ein anderes Phänomen wurde erstmals nachgewiesen: der Breit-Wheeler-Effekt. Er entsteht, wenn extrem hochenergetische Photonen – weit energiereicher als normales Licht und sogar als Röntgenstrahlen – aufeinandertreffen. Dann kann sich die enorme Energie dieser Photonen in Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie verwandeln.

Die Theoretiker Gregory Breit und John Wheeler hatten den Effekt schon 1934 vorhergesagt. Dabei vernichten sich zwei kollidierende Photonen gegenseitig, und aus ihrer Energie entsteht ein Elektron-Positron-Paar. Dieser Prozess ist genau umgekehrt wie die schon vorher von Paul Dirac erstmals beschriebene Annihilation von Elektronen und Positronen zu Strahlung. Beim Breit-Wheeler-Effekt stoßen also zwei energiereiche Photonen (Gammaquanten) direkt zusammen und erzeugen ein Elektron-Positron-Paar. Das ist anders als bei der schon lange experimentell erforschten Paarerzeugung: Hier wechselwirkt ein reales Photon mit dem virtuellen eines geladenen Teilchens, etwa eines Atomkerns, und es entstehen ein Elektron und ein Positron.

Fast lichtschnelles Gold

Breit und Wheeler meinten, dass es kaum möglich wäre, diesen Effekt jemals nachzuweisen. Freilich gab es damals noch keine modernen Teilchenbeschleuniger. Und einen solchen hat ein internationales Forscherteam um James Daniel Brandenburg vom Beschleunigerzentrum Brookhaven National Laboratory im US-Bundesstaat New York nun zur Bestätigung dieses Effekts eingesetzt: Am dortigen Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) brachten die Wissenschaftler Gold-Ionen auf 99,995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Am RHIC wird auch das ominöse hochenergetische Quark-Gluon-Plasma erforscht (bdw 2/2009, „Als der Weltraum flüssig war“).

Die hochgeladenen Ionen sind bei derart extremer Geschwindigkeit und Energie von sehr starken magnetischen und elektrischen Feldern umgeben, die hochenergetischen Lichtteilchen entsprechen. Die Forscher ließen zwei solcher Strahlen aus Gold-Ionen gegenläufig im Ringbeschleuniger rotieren, sodass die Strahlen einander während des Vorbeiflugs am Detektor haarscharf streiften.

Auch wenn sich die Gold-Ionen nicht berührten – was bei diesen Energien zu einem Feuerwerk aus Atomtrümmern und neu entstehenden Teilchen geführt hätte –, wurden hin und wieder Paare aus Materie und Antimaterie erzeugt. Die Forscher erklären das damit, dass die Energie der Photonen, die von den Ionen stammen, sich gemäß der Einsteinschen Äquivalenz von Energie und Masse in Materieteilchen verwandelt hat.

Es wird allerdings kontrovers diskutiert, inwieweit diese Photonen in der Hülle der Gold-Ionen als „reale Lichtteilchen“ gelten können, wie Breit und Wheeler sie beschrieben haben. „Weil ein Atomkern ein rein elektrisches Feld hat, können daraus keine realen Photonen entstehen“, räumt Brandenburg ein. „Aber im Experiment heben sich alle virtuellen Effekte gegenseitig auf, und die Wechselwirkung der beiden Photonen sieht genauso aus wie die zweier realer Photonen.“ Nicht nur Experimente, sondern auch weitere theoretische Überlegungen könnten Licht ins Dunkel des Unwissens bringen.