Forschungsbericht 2017 - Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme

Kristallisierende Photonen — wenn aus Licht Materie wird

Autoren
Piazza, Francesco
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden
Zusammenfassung
Die Wechselwirkung zwischen Atomen und Photonen (Lichtteilchen) wird schon lange erforscht. Doch erst seit wenigen Jahren lässt sich diese sehr genau steuern. Die Ergebnisse sind faszinierend. Insbesondere kann man Atome verwenden, um eine starke Wechselwirkung zwischen Photonen herbeizuführen. Als Vielteilchensystem ist eine Ansammlung von wechselwirkenden Photonen ein hochinteressantes Forschungsobjekt, dessen Untersuchung erst an der Oberfläche einer komplexen und neuen Phänomenologie kratzt. Und tatsächlich: Unter bestimmten Bedingungen kristallisieren Photonen – Licht wird quasi zu Materie.

Einleitung

Albert Einstein erklärte 1905 den photoelektrischen Effekt: Licht besteht aus einzelnen Korpuskeln (sogenannten Photonen), die jeweils gegen einzelne Elektronen stoßen und diese stufenweise anregen. Licht, also elektromagnetische Wellen, kann sich demnach auch wie Teilchen verhalten. Der Welle-Teilchen-Dualismus fand hier seinen Anfang und wurde erst sehr viel später durch die Quantentheorie aufgelöst.

Möchte man aus Licht Materie schaffen, steht man vor zwei Hindernissen: 1. Die Photonen haben keine Masse und können verschwinden, das heißt deren Anzahl ist selbst bei den niedrigsten Energien nicht erhalten. 2. Die Photonen wechselwirken nicht miteinander.

Die Möglichkeit, Lichtteilchen anhand dieser beiden Eigenschaften zu versehen, ist extrem interessant sowohl für die Untersuchung fundamentaler Fragen der Vielteilchenphysik als auch für die Entwicklung von (Quanten-)Technologien, insbesondere im Bereich der Kommunikation und Signalverarbeitung [1].

Nicht-Lineare Medien

In der Praxis ist der entscheidende Schritt, das Licht sich durch bestimmte Medien ausbreiten zu lassen. Zum einen lassen sich die Photonen so eingrenzen, dass sie sich bewegen als hätten sie eine Masse. Dies geschieht beispielsweise durch Spiegel oder Materialien, die einen höheren Brechungsindex haben als Luft, wie etwa Dielektrika. Zum anderen sollen die Photonen miteinander wechselwirken. Hierfür muss das Medium, durch das die Photonen sich ausbreiten, nicht-linear auf Lichtanregung reagieren, die durch das Licht erzeugte Veränderung des Mediums muss also mit der Lichtintensität, sprich mit der Anzahl der Photonen, schneller als linear wachsen. Das führt zu einer effektiven Wechselwirkung zwischen Photonen, weil dann ein Photon jede Bewegung eines anderen Photons über das Medium spürt.

In diesem Beitrag geht es um die spannenden Eigenschaften von wechselwirkenden Photonen als Vielteilchensystem und insbesondere um die Möglichkeit, dass sich durch Wechselwirkung zwischen den Photonen sogar ein Kristall bildet. Im Folgenden werden wir dieses Phänomen erklären – basierend auf einer bestimmten Realisierung in einem Medium aus ultrakalten, neutralen Atomen.

Photonen in Neutralen, Atomaren Medien

Auf dem Niveau von Elementarteilchen wechselwirken Photonen nur mit geladenen Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen. Photonen können auch mit neutralen (also nicht geladenen) Teilchen wechselwirken, wenn solche Teilchen aus mehreren geladenen Elementarteilchen bestehen.

Das ist etwa der Fall bei einem Atom, das insgesamt die gleiche Anzahl an positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen enthält. Wenn die Frequenz des Lichts, sprich die Energie der Photonen, nicht so hoch ist, dass sie ein Proton aus dem Atomkern anregen können, wechselwirken Photonen dann effektiv nur mit den äußeren Elektronen. Letztere werden durch Absorption beziehungsweise Emission von Photonen zwischen verschiedenen “Bahnen” um den Kern — quantenmechanisch eigentlich zwischen quantisierten Energieniveaus — an- beziehungsweise abgeregt.

Eine Wolke von solchen neutralen Atomen als nichtlineares Medium für das Licht zu verwenden ist sehr praktisch, weil die Kontrolle über die Wechselwirkung zwischen Photonen und Atomen in den letzten 30 Jahren enorme Fortschritte gemacht hat. Experimentatoren können mittlerweile sowohl die internen, elektronischen Anregungen als auch die Position und Temperatur von Atomen sehr genau präparieren [2,3].

Wenn die Frequenz des einfallenden Lichts weit genug unterhalb der nächsten, elektronischen Anregungsenergie innerhalb eines Atoms liegt, befindet sich die Atom-Photon Wechselwirkung im sogenannten “dispersiven Regime”: Hier wirkt die Atomwolke wie ein dichteabhängiger Brechungsindex für das Licht und umgekehrt spürt ein Atom eine Anziehungskraft in die Richtung, in der die Lichtintensität (Photonendichte) höher ist.

Unter diesen Bedingungen kann eine räumlich homogene Wolke von Atomen eine Wechselwirkung zwischen Photonen aufbringen, die dazu führen kann, dass die Photonen kristallisieren.

Kristallisierendes Licht

Teilchen bilden einen Kristall, indem sie sich im Raum so anordnen, dass ihre Dichte periodisch moduliert wird. Essentiell für den Prozess der Kristallisierung ist die spontane Brechung der räumlichen Translationsinvarianz des Systems. Auf unser System übertragen heißt das, dass eine anfänglich räumlich homogene Verteilung von Photonen (und Atomen) kristallisiert, indem sie eine periodische Anordnung annimmt, bei der die Teilchendichte in regelmäßigen Abständen zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert oszilliert. Die Brechung der Translationsinvarianz ist insofern spontan, als dass die Stelle der sich periodisch wiederholenden, maximalen Werte nicht festgelegt ist, sondern zufällig entsteht.

Warum kristallisieren Photonen? Wie bereits erläutert, wirken im dispersiven Regime die Atome als ein Medium mit einem Brechungsindex, der proportional zur lokalen Atomdichte ist. Eine räumliche Variation des Brechungsindex erzeugt eine Rückstreuung des Lichts, nach der die Photonendichte mit der Lichtwellenlänge periodisch moduliert wird. Wiederum wissen wir, dass Atome genau dahin gezogen werden, wo die Photonendichte am höchsten ist. Das bedeutet, dass die von Atomen herbeigeführte Wechselwirkung zwischen zwei Photonen eben jene Konfiguration begünstigt, bei der sie ein ganzzahliges Vielfaches der Lichtwellenlänge voneinander entfernt sind – eine kristalline Anordnung!

Basierend auf solchen Überlegungen haben wir ein Experiment vorgeschlagen, bei dem eine homogene Atomwolke von zwei einander entgegengesetzt propagierenden Lasern bestrahlt wird, sodass anfänglich die Lichtintensität homogen ist [4]. Obwohl die Wechselwirkung zwischen Photonen eine kristalline Anordnung bevorzugt, wird diese nicht immer eingenommen, sondern nur wenn die Intensität der Laser eine bestimmte Schwelle überschreitet. Diese Schwelle ist proportional zur typischen kinetischen Energie eines Atoms und insbesondere zur Temperatur der Atomwolke.

Erfreulicherweise hat die Gruppe von Nobelpreisträger Prof. Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston wenige Monate später unseren Vorschlag implementiert und die Kristallisierung der Photonen im Labor beobachten können [5]. Diese für sich schon spannende Entdeckung wirft viele weitere fundamentale Fragen auf und öffnet neue Wege für die Untersuchung der Eigenschaften dieser neuen Art von Vielteilchensystemen.

Literaturhinweise

1.
Chang, D.; Vuletic, V.; Lukin, M. D.:
Quantum nonlinear optics — photon by photon.
Nature Photonics 8, 685 (2014)
2.
Dalfovo, F.; Giorgini, S.; Pitaevskii, L. P.; Stringari, S:
Theory of Bose-Einstein condensation in trapped gases
Rev. Mod. Phys. 71, 463 (1999)
3.
Bloch, I.; Dalibard, J.; Zwerger, W.:
Many-body physics with ultracold gases.
Rev. Mod. Phys. 80, 885 (2008)
4.
Ostermann, S.; Piazza, F.; Ritsch, H.:
Spontaneous crystallisation of light and ultracold atoms.
Phys. Rev. X 6, 021026 (2016)
5.
Dimitrova, I.; Lunden, W.; Amato-Grill, J.; Jepsen, N.; Yu, Y.; Messer, M.; Rigaldo, T.; Puentes, G.; Weld, D.; Ketterle, W.:
Observation of New Superradiant Regimes in a Bose-Einstein Condensate.
arXiv:1709.02028 (2017)
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