Labor

In Vakuum ist nichts schneller als Licht mit 300 000 Kilometern pro Stunde. Zwar pflanzt Licht sich in vielen Substanzen langsamer fort – in Wasser zum Beispiel mit rund 75 Prozent der Vakuumlichtgeschwindigkeit –, doch diese Verlangsamung, die mit der Brechzahl des Mediums zusammenhängt, hat ihre Grenzen. Um die Lichtgeschwin-digkeit wie in den neuen Versuchen um einen Faktor von einigen zehn Millionen zu senken, müssen quantenmechanische Effekte ins Spiel gebracht werden. Lene Haus Gruppe erzeugt solche Effekte in einer zigarrenförmigen – nur 0,2 Millimeter langen und 0,05 Millimeter dicken – Wolke von Natriumatomen, die in einem Magnetfeld gefangen sind und bis auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden.

Die ersten Versuche mit gebremstem Licht dauerten jeweils 27 Stunden ohne Pause. Statt zum Essen in die Kantine zu gehen, gewöhnten Lene Vestergaard Hau und ihr Team sich an, in einer Hand ein Stück Pizza zu balancieren, während sie mit der anderen Hand Spiegel auf dem optischen Tisch verschoben – in den entschei-denden Versuchsphasen bei völliger Dunkelheit. Die ersten Erfolge hatten sie im März 1998, und im Juli bremsten sie ihre Lichtstrahlen auf das Tempo von Flugzeugen. Gegen Ende 2000 konnten die Forscher schließlich Lichtpulse sozusagen kurz auf Eis legen und dann wieder weiter schicken. Wie die Forscherin in der September-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft betont, eröffnet die Arbeit mit langsamem und gefrorenem Licht ungeahnte Möglichkeiten für die optische Nachrichtenübertragung und –speicherung sowie für künftige Quantencomputer.

Das Bremsen und Einfrieren von Licht macht viele interessante Experimente möglich. Zum Beispiel könnte man einen Lichtpuls durch ein Bose-Einstein-Kondensat schicken und die Lichtgeschwindigkeit so einstellen, dass sie der Schallgeschwindigkeit im Kondensat – rund ein Zentimeter pro Sekunde – entspricht. Die Atome im Konden-sat würden dann gleichsam auf dem Lichtpuls reiten und das gesamte Kondensat in Schwingung versetzen. Kondensate lassen sich außerdem in einen Wirbelzustand versetzen, wobei das Gas rotiert und diskrete Quantenwirbel bildet. Ein verlangsamter Lichtpuls würde beim Durchgang durch einen Wirbel mit dem Gas mitgezogen; dieses Phänomen gleicht Vorgängen, die in der Nähe Schwarzer Löcher vermutet werden. Mit langsamem Licht können die Forscher demnach gewisse Eigenschaften dieser rätselhaften astronomischen Objekte im Labor untersuchen.

Diese extrem kalten Atomwolken bilden so genannte Bose-Einstein-Kondensate – exotische Quantensysteme, in denen sämtliche Atome einen einzigen Zustand einnehmen und völlig synchron agieren. Durch Bestrahlen mit einem exakt abge-stimmten Laserstrahl – dem Kopplungslaser – wird die Atomwolke fähig, einen zweiten Laserpuls, den Teststrahl, für kurze Zeit zu speichern und nach Ausschalten des Kopplungslasers wieder freizugeben.