Photonen gebremst, gespeichert und wiederhergestellt

18.01.2001

Zwei Wissenschaftlerteams ist ein sensationeller Durchbruch gelungen

Licht bewegt sich im Vakuum mit 300 000 km/s. Die Lichtgeschwindigkeit ist die absolute Obergrenze für jeden Körper und jede Art von Informationsübertragung. Dem Wissenschaftlerteam von Lene Verstergaard Hau von der Harvard University und dem Rowland Institute for Science in Cambridge ist es bereits 1999 gelungen, Laserlicht bis auf 17 m/s abzubremsen. Jetzt haben unabhängig voneinander Hau und Wissenschaftler vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, erstmals eine Möglichkeit gefunden, Licht zu stoppen, zu speichern und wieder weiter zu senden.

Licht wird auch in transparenten Medien wie Glas, Kristall oder Wasser je nach Brechungsindex abgebremst. Je stärker der Brechungsindex eines Materials wird, desto langsamer wird zwar das Licht, aber desto mehr Licht wird auch absorbiert. In Nature berichteten Hau und Kollegen ("Light Speed Reduction to 17 Metres Per Second in an Ultracold Atomic Gas." Nature 397 (1999): 594), dass sie einen Laserstrahl in einer magneto-optischen Falle mit einem auf 0,2 mK (Mikrokelvin) abgekühlten Natriumgas auf eine Geschwindigkeit von 17 Meter in der Sekunde oder etwa 60 Stundenkilometern abbremsen konnten. Für das Experiment wurde eine nur 0,2 Millimeter dicke Natriumwolke unter die Temperatur von 0,435 mK (die kritische Temperatur für das Eintreten der Bose-Einstein-Kondensation) abgekühlt, so dass der Lichtstrahl seine Geschwindigkeit im Inneren dieser Wolke mit zunehmender Dichte des Gases und abnehmender Temperatur verlangsamte.

In dem Materiezustand des Bose-Einstein-Kondensats verhalten sich die Natriumatome wie ein einziges großen Atom. Das einschießende Laserlicht bildet mit den Atomen ein elektromagnetisches Feld, wodurch das Gas zunächst einmal durchsichtig wird und keine Photonen absorbiert. Lässt man einen zweiten Laserstrahl in einem bestimmten Einfallswinkel in das Bose-Kondensat eintreten, wird dieser stark gebrochen und dadurch verlangsamt. Die Lichtbremse, so überlegte Hau bereits damals, könnte auch als optischer Datenspeicher dienen, da die Photonen im Bose-Gas nicht verloren gehen.

Das Problem bestand darin, dass der Lichtstrahl nicht ganz abgebremst werden konnte, weil sich das durchsichtige "Fenster" im Gas immer weiter verkleinert hatte. Michail Lukin, Suzanne Yelin und Michael Fleischhauer schlugen im Frühjahr 2000 eine Lösung dieses Problems vor. Man lässt den ersten Lichtstrahl eintreten und verringert dann die Stärke des zweiten Laserstrahls allmählich, wodurch das Fenster kleiner und der erste Strahl bis zum Stillstand verlangsamt wird, gleichzeitig aber das Gas so eingestellt bliebe, dass das Licht weiterhin passieren kann. Damit ließe sich die Geschwindigkeit unendlich langsam machen, so dass das Licht nur noch als Abdruck auf den Spins vorhanden wäre, durch einen weiteren Lichtstrahl aber wiederhergestellt werden könnte: "Der Quantenzustand des Photons wird von den Atomen auf reversible und kohärente Weise kopiert", erklärt Lukin.. Diese Hypothese wurde von den beiden Wissenschaftlerteams jetzt offenbar mit unterschiedlichen Verfahren erfolgreich umgesetzt.

Wie New York Times berichtet, ist es jetzt dem Team von Hau sowie unabhängig davon Ronald Walsworth und Michail Lukin gelungen, Photonen ganz zum Stillstand zu bringen, sie zu speichern und dann wieder in Bewegung zu setzen. In der Lichtfalle aus Rubidium-Gas wurde das Licht immer langsamer und schwächer, bis es sich nicht mehr bewegte. Das durchgehende Licht verändert den Spin der Gasatome und wird durch diese Interaktion langsamer. Schickte man später einen zweiten Lichtstrahl durch die Falle, wurde der erste Lichtstrahl wieder "belebt" und verließ diese in etwa mit den Eigenschaften, die er besaß, als er in die Falle eintrat. Ein Artikel über diese Falle wird in den Physical Review Letters am 29. Januar erscheinen, der Bericht von Lene Hau in Nature.

Wenn man Photonen wie andere Teilchen behandeln kann, könnten die Ergebnisse beider Wissenschaftlerteams zu einer wichtigen Grundlage etwa für Quantencomputer und optische Speicher werden.

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