Es ist ein Blick auf Science-Fiction-Tatsachen: Wissenschaftler haben eine neue Form des Lichts geschaffen, die eines Tages zum Bau von Lichtkristallen verwendet werden könnte. Doch bevor angehende Jedis anfangen, ihre Säbel zu fordern, führt der Fortschritt viel eher zu faszinierenden neuen Kommunikations- und Computermethoden, berichten Forscher diese Woche in Science .
Licht besteht aus Photonen - schnellen, winzigen Energiepaketen. Normalerweise interagieren Photonen überhaupt nicht miteinander, weshalb bei Verwendung von Taschenlampen "die Lichtstrahlen nicht voneinander abprallen, sondern sich gegenseitig durchdringen", erklärt Sergio Cantu, Ph.D. Kandidat für Atomphysik am Massachusetts Institute of Technology. In neuen Experimenten haben die Physiker jedoch einzelne Photonen dazu gebracht, sich aneinander zu schmiegen und zu verbinden, ähnlich wie einzelne Atome in Molekülen aneinander haften.
Der Photonentanz findet in einem Labor am MIT statt, in dem die Physiker Tischversuche mit Lasern durchführen. Cantu, seine Kollegin Aditya Venkatramani, Ph.D. Der Kandidat für Atomphysik an der Harvard University und seine Mitarbeiter beginnen mit der Erzeugung einer Wolke aus gekühlten Rubidiumatomen. Rubidium ist ein Alkalimetall, daher sieht es typischerweise aus wie ein silberweißer Feststoff. Aber wenn Rubidium mit einem Laser verdampft und ultrakalt gehalten wird, entsteht eine Wolke, die die Forscher in einer kleinen Röhre enthalten und magnetisieren. Dies hält die Rubidiumatome diffus, langsam und in einem hoch angeregten Zustand.
Dann feuert das Team einen schwachen Laser auf die Wolke. Der Laser ist so schwach, dass nur eine Handvoll Photonen in die Wolke eindringen, heißt es in einer Pressemitteilung des MIT. Die Physiker messen die Photonen, wenn sie die andere Wolkenseite verlassen, und dann wird es merkwürdig.
Normalerweise bewegen sich die Photonen mit Lichtgeschwindigkeit - oder fast 300.000 Kilometern pro Sekunde. Während sie durch die Wolke wandern, kriechen die Photonen 100.000 Mal langsamer als normal. Anstatt die Wolke zufällig zu verlassen, treten die Photonen auch paarweise oder dreifach durch. Diese Paare und Tripletts geben auch eine andere Energiesignatur ab, eine Phasenverschiebung, die den Forschern sagt, dass die Photonen interagieren.
"Anfangs war es unklar", sagt Venkatramani. Das Team hatte zuvor zwei Photonen in Wechselwirkung gesehen, wusste jedoch nicht, ob Drillinge möglich waren. Schließlich sei ein Wasserstoffmolekül eine stabile Anordnung von zwei Wasserstoffatomen, aber drei Wasserstoffatome dürften nicht länger als eine Millionstel Sekunde zusammenbleiben. "Wir waren uns nicht sicher, ob drei Photonen ein stabiles Molekül oder etwas sind, das wir überhaupt sehen könnten", sagt er.
Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass die Drei-Photonen-Gruppierung noch stabiler ist als zwei. "Je mehr Sie hinzufügen, desto stärker sind sie gebunden", sagt Venkatramani.
Aber wie kommen die Photonen zusammen? Das theoretische Modell der Physiker legt nahe, dass ein einzelnes Photon, wenn es sich durch die Rubidiumwolke bewegt, "wie eine zwischen Blumen fliegende Biene" von einem Atom zum nächsten springt, heißt es in der Pressemitteilung. Ein Photon kann sich kurz an ein Atom binden und ein hybrides Photon-Atom oder Polariton bilden. Treffen sich zwei dieser Polaritonen in der Wolke, interagieren sie. Wenn sie den Rand der Wolke erreichen, bleiben die Atome zurück und die Photonen segeln vorwärts, immer noch zusammengebunden. Fügen Sie mehr Photonen hinzu und das gleiche Phänomen führt zu Tripletts.
"Nachdem wir verstanden haben, was zu attraktiven Interaktionen führt, können Sie sich fragen: Können Sie sie stattdessen dazu bringen, sich gegenseitig abzustoßen?" sagt Cantu. Grundsätzlich könnten durch das Spielen mit der Interaktion neue Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie Energie funktioniert oder woher sie kommt, sagt er.
Im Sinne des technologischen Fortschritts können auf diese Weise zusammengebundene Photonen Informationen transportieren - eine Qualität, die für das Quantencomputing nützlich ist. Und Quantencomputer können zu unknackbaren Codes, ultrapräzisen Uhren, unglaublich leistungsstarken Computern und vielem mehr führen. Das Attraktive an der Kodierung von Informationen in Photonen ist, dass Photonen ihre Informationen sehr schnell über Entfernungen transportieren können. Bereits Photonen beschleunigen unsere Kommunikation über Glasfaserleitungen. Gebundene oder verschränkte Photonen könnten komplexe Quanteninformationen fast augenblicklich übertragen.
Das Team stellt sich vor, die attraktiven und abstoßenden Wechselwirkungen von Photonen so genau zu steuern, dass sie Photonen in vorhersagbaren Strukturen anordnen können, die wie Kristalle zusammenhalten. Einige Photonen würden sich gegenseitig abstoßen und auseinander drücken, bis sie ihren eigenen Raum finden, während andere die größere Formation halten und die abstoßenden davon abhalten, sich zu zerstreuen. Ihre gemusterte Anordnung wäre ein heller Kristall. In einem Lichtkristall sagt Venkatramani: "Wenn Sie wissen, wo sich ein Photon befindet, wissen Sie in gleichen Abständen, wo sich die anderen dahinter befinden." "Dies kann sehr nützlich sein, wenn Sie in regelmäßigen Abständen Quantenkommunikation wünschen."
Die Zukunft, die solche Kristalle ermöglichen könnten, mag nebulöser erscheinen als eine, in der Menschen mit Lichtschwertern kämpfen, aber sie könnte noch beeindruckender und ungeahnter sein.
Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde korrigiert, um zu reflektieren, dass nicht Atome, sondern Photonen in die Rubidiumwolke eindringen und ihre Geschwindigkeit während des Durchgangs abnimmt.
