Einbahnstraße für Licht

Licht lässt sich in unterschiedliche Richtungen lenken, zumeist auch wieder den gleichen Weg zurück. Forscher der Unis Bonn und Köln haben jetzt eine neuartige Einbahn­straße für Licht erschaffen. Sie kühlen Photonen zu einem Bose-Einstein-Kondensat ab, was in ihrem Aufbau dazu führt, dass sich das Licht in optischen Mulden sammelt, aus denen es nicht mehr zurück kann. Das Resultat aus der Grundlagen­forschung könnte auch für die Quanten­kommuni­kation der Zukunft interessant sein.

Um einen Lichtstrahl zu teilen, lenkt man ihn üblicher­weise auf einen teilweise reflek­tie­renden Spiegel: Ein Teil des Lichts wird dann zurück­geworfen und damit das Spiegel­bild erzeugt. Der Rest geht durch den Spiegel hindurch. „Dieser Vorgang ist jedoch umkehrbar, wenn die Versuchs­anordnung anders herum aufgebaut wird“, sagt Martin Weitz von der Uni Bonn. Werden der reflektierte und der durch den Spiegel hindurch­gegangene Anteil des Lichts in die Gegen­richtung geschickt, so lässt sich der ursprüngliche Lichtstrahl rekonstruieren.

Der Forscher untersucht exotische optische Quanten­zustände von Licht. Mit seinem Team und Prof. Achim Rosch von der Uni Köln suchte Weitz nach einem neuen Verfahren zur Erzeugung optischer Einbahn­straßen durch Abkühlung der Photonen: Das Licht soll sich durch die dann kleinere Energie der Photonen in verschiedenen Mulden sammeln und dadurch unumkehrbar geteilt werden. Hierfür verwendeten die Physiker ein Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen.

Zwischen zwei Spiegeln wird ein Lichtstrahl hin- und hergeworfen. Dabei kollidieren die Photonen mit Farb­stoff­molekülen, die sich zwischen den Reflexions­flächen befinden. Die Farb­moleküle verschlucken die Photonen und spucken sie dann wieder aus. „Die Photonen nehmen die Temperatur der Farbstoff-Lösung an“, sagt Weitz. „Dabei kühlen sie sich auf Raum­temperatur ab, ohne verloren zu gehen.“ Indem die Forscher die Farb­stoff­lösung mit einem Laser anregen, erhöhen sie die Zahl der Photonen zwischen den Spiegeln. Die starke Konzentration der Licht­teilchen bei gleich­zeitiger Abkühlung sorgt dafür, dass die einzelnen Photonen zu einem Bose-Einstein-Kondensat verschmelzen.

Das aktuelle Experiment funktioniert nach diesem Prinzip. Allerdings ist einer der beiden Spiegel nicht durch­gehend flach, sondern zwei optische kleine Mulden sind darin ausge­bildet. Gerät der Licht­strahl in eine der Vertiefungen, wird die Distanz und damit die Wellenlänge ein klein wenig länger. Die Photonen verfügen dann über eine geringere Energie. Durch die Farb­stoff­moleküle kühlen diese Licht­teilchen ab und gehen in einen energie­ärmeren Zustand in den Mulden über.

Allerdings verhalten sich die Photonen in den Vertiefungen nicht wie Murmeln, die über ein Wellblech rollen. Die Murmeln kullern in die Senken des Wellblechs und bleiben dort durch die Gipfel getrennt liegen. „In unserem Experiment liegen die beiden Vertiefungen so dicht beieinander, dass es zu einer Tunnel­kopplung kommt“, berichtet Team-Mitglied Christian Kurtscheid. Dadurch lässt sich nicht mehr zuordnen, welche Photonen sich in welcher Mulde befinden. „Die Photonen werden in den beiden Mulden fest­ge­halten und gehen dabei in den niedrigsten Energie­zustand des Systems über“, erläutert Weitz. „Dadurch wird das Licht wie nach Durch­fahrt einer Kreuzung am Ende einer Einbahn­straße unumkehrbar aufge­spalten, wobei die Licht­wellen in unter­schied­lichen Mulden im Gleich­schritt bleiben.“

Die Wissenschaftler hoffen, dass sich mit dieser Versuchs­anordnung noch deutlich komplexere Quanten­zustände herstellen lassen, die die Erzeugung verschränkter photonischer Mehr­teilchen­zustände erlauben. „Auf diese Weise könnten Quanten­computer vielleicht einmal mitein­ander kommuni­zieren und eine Art Quanten-Internet bilden“, blickt Weitz in die Zukunft.

RFWU Bonn / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  C. Kurtscheid et al.: Thermally Condensing Photons into a Coherently Split State of Light, Science 366, 894 (2019); DOI: 10.1126/science.aay1334
• Quantenoptik (M. Weitz), Institut für angewandte Physik, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
• FG A. Rosch, Institut für theoretische Physik, Universität zu Köln