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Datum: 01.04.2021

Ein neuer Zustand des Lichts Physiker der Universit?t Bonn beobachten neue Phase in Bose-Einstein-Kondensat aus Lichtteilchen

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Ein einziges ?Super-Photon“ aus vielen Tausend einzelnen Lichtteilchen – rund zehn Jahre ist es her, dass Forscher der Universit?t Bonn einen solchen extremen Aggregatzustand zum ersten Mal herstellten und eine v?llig neue Lichtquelle zeigten. Optisches Bose-Einstein-Kondensat nennt sich der Zustand, der seitdem eine Reihe von Physikern in seinen Bann zieht, denn in dieser exotischen Welt der Lichtteilchen spielen sich ganz eigene physikalische Ph?nomene ab. Von ihrer neuesten ?Expedition“ in die Quantenwelt sind Wissenschaftler um Prof. Dr. Martin Weitz, den Entdecker des Super-Photons, und dem theoretischen Physiker Prof. Dr. Johann Kroha mit einer ganz besonderen Beobachtung zurückgekommen. Sie berichten von einem neuen, bisher unbekannten Phasenübergang im optischen Bose-Einstein-Kondensat. Es handelt sich dabei um eine sogenannte überd?mpfte Phase. Die Ergebnisse k?nnten langfristig für die verschlüsselte Quantenkommunikation relevant sein. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Science erschienen.

Das Bose-Einstein-Kondensat ist ein extremer Aggregatzustand, der üblicherweise nur bei sehr niedrigen Temperaturen stattfindet. Das Besondere: Die Teilchen in diesem System lassen sich nicht mehr unterscheiden und befinden sich überwiegend im selben quantenmechanischen Zustand, verhalten sich also wie ein einziges riesiges ?Superteilchen“. Der Zustand kann daher durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden.

2010 gelang es den Forschern um Martin Weitz zum ersten Mal, ein Bose-Einstein-Kondensat aus Lichtteilchen (Photonen) zu erzeugen. Bis heute hat sich ihr spezielles System bew?hrt: Die Physiker fangen Lichtteilchen in einem Resonator aus zwei gekrümmten Spiegeln ein, die in einem Abstand von nur etwas mehr als einem Mikrometer angeordnet sind und einen sich schnell hin- und herbewegenden Lichtstrahl reflektieren. Der Zwischenraum ist gefüllt mit einer flüssigen Farbstoffl?sung, die dazu dient, die Photonen abzukühlen. Dazu ?verschlucken“ die Farbstoffmoleküle die Photonen und spucken sie anschlie?end wieder aus, wodurch die Lichtteilchen auf die Temperatur der Farbstoffl?sung – entspricht Raumtemperatur – gebracht werden. Hintergrund: Das System macht es überhaupt erst m?glich, Lichtteilchen abzukühlen, denn ihre natürliche Eigenschaft ist es, sich bei Abkühlung aufzul?sen.

Klare Trennung zweier Phasen

Phasenübergang – so nennen Physiker den ?bergang zwischen Wasser und Eis beim Gefrieren. Aber wie kommt es zu dem besonderen Phasenübergang innerhalb des Systems der eingefangenen Lichtteilchen? Die Wissenschaftler erkl?ren es so: Durch die etwas lichtdurchl?ssigen Spiegel gehen Photonen verloren und werden wieder ersetzt – ein Nichtgleichgewicht, das dazu führt, dass das System keine eindeutige Temperatur einnimmt und in eine Schwingung versetzt wird. Das l?sst einen ?bergang zwischen dieser oszillierenden Phase und einer ged?mpften Phase entstehen. Ged?mpft bedeutet, dass die Amplitude der Schwingung abnimmt.

?Die von uns beobachtete überd?mpfte Phase entspricht sozusagen einem neuen Zustand des Lichtfelds“, sagt Erstautor Fahri Emre ?ztürk, Doktorand am Institut für Angewandte Physik der Universit?t Bonn. Die Besonderheit ist, dass der Effekt des Lasers üblicherweise nicht von dem der Bose-Einstein-Kondensation durch einen Phasenübergang getrennt ist und es keine scharf definierte Grenze zwischen beiden Zust?nden gibt. Das bedeutet, dass die Physiker kontinuierlich zwischen den Effekten hin- und herfahren k?nnen.

?In unserem Experiment ist hingegen der überd?mpfte Zustand des optischen Bose-Einstein-Kondensats durch einen Phasenübergang von sowohl dem oszillierenden Zustand als auch einem üblichen Laser getrennt“, sagt Studienleiter Prof. Dr. Martin Weitz. ?Das zeigt, dass es ein Bose-Einstein-Kondensat gibt, das wirklich ein anderer Zustand als der übliche Laser ist. Anders ausgedrückt, haben wir es mit zwei getrennten Phasen des optischen Bose-Einstein-Kondensats zu tun“, betont er.

Aufbauend auf den Ergebnissen wollen die Wissenschaftler in weiteren Studien nach neuen Zust?nden des Lichtfelds in mehreren gekoppelten Lichtkondensaten suchen, die in dem System ebenfalls auftreten k?nnen. ?Wenn in gekoppelten Lichtkondensaten geeignete quantenmechanisch verschr?nkte Zust?nde auftreten, kann das interessant sein, um quantenverschlüsselte Nachrichten zwischen mehreren Teilnehmern zu übertragen“, sagt Fahri Emre ?ztürk.

F?rderung:

Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch den von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gef?rderten Sonderforschungsbereich TR 185 ?OSCAR - Kontrolle atomarer und photonischer Quantenmaterie durch ma?geschneiderte Kopplung an Reservoire“ der Universit?ten Kaiserslautern und Bonn sowie den Exzellenzcluster ML4Q der Universit?ten K?ln, Aachen, Bonn sowie des Forschungszentrums Jülich. Der Exzellenzcluster ist eingebettet in den Transdisziplin?ren Forschungsbereich (TRA) ?Bausteine der Materie und grundlegende Wechselwirkungen“ der Universit?t Bonn. Darüber hinaus wurde die Studie gef?rdert durch die Europ?ische Union im Rahmen des Projekts ?PhoQuS - Photons for Quantum Simulation“ und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

Publikation: Fahri Emre ?ztürk, Tim Lappe, G?ran Hellmann, Julian Schmitt, Jan Klaers, Frank Vewinger, Johann Kroha & Martin Weitz: Observation of a Non-Hermitian Phase Transition in an Optical Quantum Gas. Science, DOI: 10.1126/science.abe9869

Video: https://youtu.be/PHSNJIu2IVo

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Prof. Dr. Martin Weitz
Institut für Angewandte Physik
Universit?t Bonn
Tel.: +49-(0)228-73-4837
E-Mail: [Email protection active, please enable JavaScript.]

Dr. Julian Schmitt
Institut für Angewandte Physik
Universit?t Bonn
Tel.: +49-(0)228-73-60122
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Prof. Dr. Johann Kroha
Physikalisches Insitut
Universit?t Bonn
Tel.: +49-(0)228-73-2798
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