Forschung
09/27/2013

Neue Form von Materie besteht aus Licht

Forscher haben es in einem Experiment geschafft, dass Photonen sich zu einer Art Molekül verbinden. Das kann als neue Form der Materie aufgefasst werden.

Photonen sind die Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung, die Teilchen aus denen Licht und andere elektromagnetische Strahlung aufgebaut ist - sofern sie nicht gerade als Welle beschrieben wird. Photonen haben keine Masse und wechselwirken deshalb nicht miteinander. Sich kreuzende Lichtstrahlen passieren einander ohne Auswirkungen. Wissenschaftler der Universität Harvard und des MIT haben es jetzt geschafft, dass Photonen eine Verbindung eingehen, wie es in einer Aussendung heißt.

Dazu haben die Forscher Rubidium-Atome in eine Vakuum-Kammer eingebracht und die Teilchen mithilfe von Lasern bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Dann haben sie mit sehr schwachen Lasern Photonen in die Wolke aus ultrakalten Rubidium-Atomen gefeuert. Dabei geben die Lichtteilchen Energie ab und werden stark abgebremst. Als die Wissenschaftler zwei Photonen gleichzeitig durch die Versuchsanordnung schickten, verließen diese die Rubidium-Wolke als sogenanntes "Photonisches Molekül".

Schuld daran ist ein Effekt, der als Rydberg-Blockade bekannt ist. Er besagt, dass wenn ein Atom angeregt wird, andere Atome in der Nachbarschaft nicht im selben Maß angeregt werden können. Wenn das erste Photon beim durchfliegen der Wolke den energetischen Zustand eines Atoms verändert, muss es zuerst weiterfliegen, bevor das zweite Photon Energie an benachbarte Atome abgeben kann. Dadurch schieben und zerren sich die Photonen gegenseitig durch die Wolke, wodurch eine Verbindung entsteht. "Es handelt sich um Interaktion zwischen den Photonen, die durch die Interaktion mit den Atomen zustande kommt", sagt Harvard-Professor Mikhail Lukin.

Lichtschwerter

Die Bezeichnung Licht-Molekül ist hier lediglich als Analogie zu sehen, die beschreibt, dass die beiden Photonen wechselwirken. Sie verhalten sich, als ob sie Masse besäßen. Dieses Verhalten erinnert die Forscher an die Lichtschwerter aus Star Wars. "Lichtschwerter sind keine schlechter Vergleich. Wenn die Photonen miteinander interagieren, schieben sie sich gegenseitig an und lenken sich von ihren Bahnen ab. Die physikalischen Prozesse ähneln dem, was wie in den Star-Wars-Lichtschwertern sehen", so Lukin.

Die photonischen Moleküle könnten bei der Realisierung von Quantencomputern helfen, die mit Licht arbeiten sollen. Nur wenn die Photonen interagieren können, können künftige Prozessoren sie für Berechnungen verwenden. Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.