Wenn Laserlicht durch eine Schicht eines bakteriellen Proteins gestrahlt wird, verlangsamt sich seine Geschwindigkeit auf bis zu 0,091 Millimeter pro Sekunde. Forscher der Universität von Massachusetts und der Firma New Span Optotechnology in Boston haben den neuen Rekord für das langsamste Licht in Experimenten mit grünem Laserlicht erzielt. Dabei kann die Lichtgeschwindigkeit zusätzlich durch einen blauen Strahl moduliert werden, was Anwendungen in der Telekommunikation möglich machen könnte.
Dass Licht durch Wechselwirkungen mit Atomen oder Molekülen unter bestimmten Umständen stark verlangsamt oder sogar gestoppt werden kann, ist schon seit längerem bekannt. Pengfei Wu und Devulapalli Rao aus Boston haben nun mithilfe eines Proteins einen neuen Rekord für die bisher langsamste Lichtgeschwindigkeit erzielt, ohne das Licht dabei ganz zum Stillstand zu bringen.
In ihrem Experiment schickten die Forscher einen grünen Laserstrahl durch einen dünnen Film des Proteins. Die Intensität des Strahls war dabei zusätzlich mit einer geringen Frequenz moduliert. Während die Stärke des Strahls anwuchs, absorbierten die Moleküle der Schicht die Photonen des Lichts, bis alle Proteine in dem angeregten Zustand angekommen waren. Auf diese Weise wurde der Strahl selbst geschwächt.
Die Elektronen der Proteine konnten nun etwa eine Sekunde lang in dem angeregten Zustand verharren, bis sie wieder in den Grundzustand zurückfielen und dabei selbst grünes Licht ausstrahlten. Die Forscher stellten die Modulationsfrequenz ihres Laserstrahls nun gerade so ein, dass diese Lichtemission mit einem Absinken der Intensität des Strahls zusammenfiel. Der Strahl wurde daher während dieser Zeit durch die Photonenemission der Moleküle verstärkt.
Die genaue Abstimmung dieser beiden Vorgänge ? der externen Modulierung der Intensität des Strahls und der diesem Vorgang entgegenwirkenden Photonenabsorption und Emission der Moleküle ? hatte eine Phasenverschiebung des Lichtstrahls zur Folge, die einer Verlangsamung gleichkam. Der Austritt des Strahls auf der anderen Seite der Schicht konnte somit um bis zu eine Sekunde verzögert werden, so Wu, was einer Lichtgeschwindigkeit von nur 0.091 Millimetern pro Sekunde in der Proteinschicht gleichkommt.
Die Forscher konnten die Phasenverschiebung zusätzlich durch einen blauen Laserstrahl steuern, der die Lebenszeit des angeregten Zustands der Proteinmoleküle veränderte. Dies könnte einmal die Entwicklung von biologischen Lichtmodulatoren für Anwendungen in der Telekommunikation ermöglichen.
Physical Review Letters 95, S. 253601 Stefan Maier
