von DIRK EIDEMÜLLER
Es war eine riesige Überraschung, als mit den Forschungsarbeiten von Max Planck und Albert Einstein vor rund 120 Jahren klar wurde, dass Licht nicht nur einen Wellen-, sondern auch einen Teilchencharakter hat. Wie Teilchen besitzt Licht einen bestimmten Impuls und eine bestimmte Energie. Zugleich zeigt es wie Wellen Interferenzeffekte. Bald darauf wurde den Quantenphysikern klar, dass diese seltsame Doppelnatur nicht nur für das Licht gilt, sondern auch für Elektronen, Atome und andere winzige Objekte im Quantenbereich (bdw 9/2024, „Warum die Quantenwelt so seltsam ist“).
„Die Doppelnatur als Welle und Teilchen gilt sogar für die Schwingungen in einem Material“, sagt Birgit Stiller vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen. Wenn also ein Gong erklingt, eine Glocke schlägt oder jemand auf die Tischplatte klopft, dann pflanzen sich einerseits Schallwellen in diesem Material fort. Andererseits besteht dieser Schall nach den Gesetzen der Quantenphysik nun ebenso wie das Licht aus kleinsten Energiepaketen. Diese elementaren Gitterschwingungen oder Schallquanten werden Phononen genannt – in Analogie zum Licht, dessen Energiequanten Photonen heißen.
„Genau wie beim Licht fällt die Quantennatur des Schalls im gewöhnlichen Leben nicht auf“, sagt Stiller. „Aber bei mikroskopischen oder sehr kalten Systemen macht sie sich ebenso wie beim Licht dadurch bemerkbar, dass einzelne Gitterschwingungen bestimmte Energieniveaus besitzen.“
Künftig könnten Phononen zur Übertragung oder Zwischenspeicherung von Quanteninformation genutzt werden – etwa in Quantencomputern oder Quantennetzwerken. Doch bei Raumtemperatur schwingen die Atome in einem Festkörper wild hin und her. Dieses thermische Rauschen erschwert die Nutzung von Phononen als Träger von Quanteninformation enorm. „Wir haben deshalb versucht, dieses thermische Rauschen in einem 50 Zentimeter langen und rund drei Mikrometer dicken Glasfaserkabel mithilfe von Laserkühlung stark zu verringern“, berichtet Stiller.
Glasfasern können nicht nur Licht, sondern auch Schall über große Strecken leiten. Sie lassen sich deshalb für beide Arten von Informationsübertragung nutzen.
Zum Abkühlen der Schallwellen im Glasfaserkabel hat Stillers Team eine Art Dopplereffekt genutzt: Wenn man einen Laserstrahl mit passender Wellenlänge durch das Kabel schickt, können die Phononen einen Teil ihrer Energie auf die Lichtteilchen übertragen. „Dadurch verringert sich das thermische Rauschen im Kabel“, sagt die Physikerin. Ihr Team konnte dank der starken Kopplung des Laserlichts an die Phononen deren Temperatur auf minus 194 Grad Celsius senken – eine Reduktion gegenüber der Raumtemperatur um 219 Grad auf 74 Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt. Das ist ein neuer Rekord für diese Art von Kühlung.
