Langsames Licht

Es gibt, so weit wir das heute wissen nichts, was sich schneller bewegen könnte als Licht. Das gilt aber nur im Vakuum eines nicht gekrümmten Raumes.

Betrachtet man das Licht in anderen Medien wie Glas oder Wasser so nimmt die Lichtgeschwindigkeit schon beträchtlich ab. Auf diesen unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten beruht übrigens das Phänomen der Lichtbrechung zum Beispiel in Linsen oder Unterwasser.

Aber das Licht anzuhalten und nach einer - für die Verhältnisse des Lichts sehr langen Zeit - wieder ziehen zu lassen, das ist etwas völlig anderes. Statt ein dichteres Medium zu nehmen wurde in diesen Experimenten ein Gas verwendet und im Allgemeinen reichen Gase kaum aus, die Lichtgeschwindigkeit wesentlich herabzusetzen.

Dabei ist es allerdings nicht so, dass man tatsächlich Photonen irgendwie aufgehalten hätte, statt dessen wurden die Eigenschaften des Lichtstrahls kurz im zu durchquerenden Medium gespeichert und schließlich ein neuer Lichtstrahl mit identischen Eigenschaften wieder ausgesandt. Da es keine Möglichkeit gibt zwischen eingehendem und ausgehendem Strahl zu unterscheiden ist das fast genauso gut, wie das tatsächliche Anhalten des Lichts.

Bevor ich versuche diesen Vorgang zu erklären will ich zunächst das Experiment beschreiben, damit wir uns eine Vorstellung davon machen können, was hier passiert ist.

Es wurde ein extrem kurzer Lichtpuls verwendet, der eine Länge von lediglich drei Kilometern hatte. Dieser Strahl wurde auf eine mit Natriumgas gefüllte Kammer gerichtet, in der die Atome mit einem weiteren Laser in einen besonderen Zustand versetzt wurden, so dass das sonst undurchsichtige Gas für den aufzuhaltenden Strahl durchsichtig wurde. Das heißt ohne diesen zweiten Laser würde das Gas das Licht schlicht absorbieren und es würde nichts übrigbleiben als ein etwas wärmeres Gas.

Der Trick besteht jetzt darin, dass man den zweiten Strahl - im Folgenden Kopplungsstrahl - abschaltet, sobald der Laserstrahl darin verschwunden ist. Einige Bruchteile von Sekunden später schaltet man den Kopplungsstrahl wieder ein und der Strahl taucht wieder auf. Für dieses Experiment muss extrem kaltes Gas verwendet werden, bei dem sich das Gas im Zustand des BoseEinstein-Kondensats befindet. Hier haben alle Atome genau denselben energetischen Zustand, was bei höheren Temperaturen nicht möglich ist.

Wenn wir verstehen wollen, was hier passiert ist müssen wir uns ansehen, was Licht eigentlich ist, und welche Eigenschaften sich speichern lassen.

Da ist zunächst die Energie und die Intensität, letztere ist schlicht durch die Anzahl der Photonen im Laserstrahl gegeben. Die Energie eines Photons ist durch seine Wellenlänge bzw. Frequenz gegeben - aufgrund der Dualität von Welle und Teilchen lässt sich das Photon durch seine Welleneigenschaften beschreiben.

Eine weitere Eigenschaft des Lichts ist seine Polarisation, darunter versteht man die Richtung der Amplitude der Schwingung. Betrachtet man Photonen so gibt man die Polarisation als Drehimpuls an, jeweils eine Einheit positiv oder negativ. In der Wellennatur kann man Polarisationen durch senkrecht aufeinander stehende Schwingungen beschreiben. Beide Darstellungen sind äquivalent, weil man die jeweils andere durch Überlagerung aus der anderen gewinnen kann.

Die Intensität wird in der Anzahl der angeregten Atome gespeichert, so dass man davon ausgehen kann, dass sie gut genug erhalten werden kann, wenn für jedes Photon ein Atom zur Verfügung steht.

Die Energie, die ein Atom speichern kann hängt von den Energieniveaus ab, die angeregt werden können. Diese Niveaus sind in unterschiedlichen Atom- oder Molekülsorten unterschiedlich und diskret.

Ein Atom kann nur dann die Energie eines Photons aufnehmen, wenn die Energie einem dieser Niveaus entspricht. Ist das gerade nicht der Fall geht das Photon schlicht hindurch, das Material ist transparent. Entsprechen sich die Energien wird das Photon absorbiert und ein Elektron wird auf ein höheres Energieniveau gehoben, entweder es fällt wieder hinunter und emittiert dabei ein Photon, dann spricht man von Fluoreszenz oder das Atom stößt mit einem anderen Atom zusammen und verliert seine Energie in diesem oder anderen Prozessen z.B. als Wärmeenergie.

Im Vorliegenden Fall spielen drei Energieniveaus eine Rolle, die vom freien Elektron des im Experiment verwendeten Natriumgas eingenommen werden können.

Der niedrigste Zustand ist derjenige in dem der Eigendrehimpuls - oder Spin - des Kerns und des Elektrons entgegengesetzt ausgerichtet sind, dies ist der niedrigste Energiezustand, den das Elektron einnehmen kann. Der Zweite Zustand liegt nur ganz wenig über dem ersten und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spins hier parallel stehen. Der dritte Zustand ist ein angeregter Zustand in dem das Elektron ein höheres Energieniveau einnimmt, das Elektron im dritten Zustand hat etwa 300000 mal mehr Energie als das Elektron im zweiten Zustand im Vergleich zum Grundzustand eins. Die Polarisation unseres Lichtstrahls findet sich dabei während des angeregten Zustands in dem Unterschied von Elektron- und Kernspins des Natriumgases wieder.

Das Licht, dass in diesem Experiment gestoppt werden soll hat genau die Energie die notwendig ist ein Elektron aus dem ersten in den dritten Zustand zu heben. Die Energie des Photons würde also absorbiert und kurze Zeit später wieder in als Fluoreszenzlicht in alle Richtungen abgestrahlt, unser eingestrahltes Licht wäre verloren.

Der Koppelstrahl ist jetzt aber auf die Energiedifferenz zwischen zweiten und dritten Zustand abgestimmt, dieses Licht kann von den Atomen nicht absorbiert werden, d.h. das Licht geht durch das Gas, ohne dass eine Wechselwirkung stattfindet, das Gas ist für dieses Licht transparent.

Werden nun Testlicht und Koppelstrahl eingeschaltet entsteht eine sogenannte Superposition der Zustände zwei und drei, gewissermaßen nimmt das Atom beide Zustände gleichzeitig ein. Zustand eins würde das Testlicht absorbieren und Zustand zwei den Koppelstrahl. Unschlüssig was das Atom jetzt machen soll macht es schlicht gar nichts mehr und lässt beide Strahlen ungehindert passieren.

Trotzdem ändert sich die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht durch das Gas bewegt beträchtlich, so dass der eingestrahlte Lichtpuls zusammengestaucht wird, sobald er in das Gas eindringt.

Wenn man jetzt vorhat, den Teststrahl einzufrieren braucht man nur kurz den Koppelstrahl abzuschalten, die angeregten Atome behalten für eine Weile den aufgeprägten Zustand, bevor sich die Information aufgrund der Bewegung und Kollisionen der Atome im Gas auflöst.

Durch Manipulation der Lichtgeschwindigkeit wie sie hier vorgestellt wurde ergeben sich interessante Möglichkeiten für zukünftige Experimente und Untersuchungen, beispielsweise kann man die Lichtgeschwindigkeit bis hinunter zur Schallgeschwindigkeit im Natriumgas senken - einige Zentimeter pro Sekunde - und Atome auf den Lichtwellen reiten lassen oder untersuchen wie sich Licht in der Umgebung eines Schwarzen Loches verhält, in dessen Nähe es auch zur Verlangsamung des Lichts auf Grund der Zeitdiletation kommt. Natürlich spekulieren die Wissenschaftler auch über Anwendungen in Quantencomputern und optischen Schaltungen, da sich hier die Möglichkeit auftut einen Lichtstrahl mit einem anderen zu beeinflussen.

Und bei Ihrem nächsten Spaziergang denken Sie mal darüber nach, dass sie sich schon schneller bewegen als das Licht in den Labors der Physiker.


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BeitragvonDatumAntworten Letzte Antwort
Wie beschleunigt sich das Licht?Stefan Schridde26.07.2013
19:33 Uhr
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