Forscher auf der Jagd nach einzelnen Photonen

Was ist Licht? Welle oder Teilchen?

Heute wissen wir, dass Licht sich wie eine Welle und wie ein Teilchen verhalten kann. Diesen „Welle-Teilchen-Dualismus“ zeigen alle Quantenteilchen. Die Quantenmechanik beschreibt ihn präzise, sie entstand ab Mitte der 1920er-Jahre. Besonders wichtige Ideen steuerten der Deutsche Werner Heisenberg und der Österreicher Erwin Schrödinger bei. Schrödinger fand eine Gleichung, die die Welleneigenschaften von Quantenteilchen exakt erfasst. Damit wurde die Quantenmechanik ein perfekter Werkzeugkasten zur Beschreibung der Mikrowelt der Quantenteilchen. Einige ihrer Vorhersagen widersprechen allerdings unserem Verständnis, das an den großen Dingen des Alltags geschult ist. Gerade diese seltsamen Quanteneffekte können jedoch zukünftig zu ganz neuen technische Anwendungen führen. Dazu zählen extrem leistungsfähige Quantencomputer oder die garantiert abhörsichere Kommunikation über Quantenteilchen, Quantenkryptographie genannt. Deshalb ist die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie nach wie vor ein wichtiges Forschungsgebiet der Physik.

Auf ihm arbeiten auch zwei Max-Planck-Teams. Das erste Team leitet Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Bei ihm lernen wir: Wer die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ganz genau untersuchen will, muss die Materie extrem zerkleinern. „Das machen wir, bis das kleinstmögliche Stück Materie übrig bleibt“, erklärt der Physikprofessor: „Ein Atom.“ Atome bestimmen als kleinste Bausteine die Eigenschaften von Materie. Aber wie geht das mit einem Objekt, das nur wenige Zehntel Nanometer (ein Nanometer ist der Milliardste Teil eines Meters) winzig ist?

<p class="Default"><strong>Abb. B Gefangen im Spiegelkabinett</strong></p>
<p class="Default">Links: Die blauen und roten &bdquo;Ovale&ldquo; symbolisieren stehende Wellen aus Laserlicht, die das Atom (orange) festhalten. Mit der drehbaren Glasscheibe links unten l&auml;sst sich das Atom zum Beispiel &uuml;ber die rote stehende Welle senkrecht zur Spiegelachse verschieben (blauer Doppelpfeil). Wenn das Atom ein Photon (gelb) aussendet, dann fliegt dieses wie ein Pingpongball bis zu hunderttausend Mal zwischen den Spiegeln hin und her. Der rechte Spiegel ist ein kleines bisschen durchl&auml;ssig, sodass das Photon irgendwann nach rechts entkommen kann. Rechts: Hier trifft es auf einen Strahlteiler, der es mit einer Wahrscheinlichkeit von jeweils 50 Prozent zu dem einem oder dem anderen der beiden Detektoren schickt, was dort ein Klick-Signal ausl&ouml;st.</p> Bild vergrößern

Abb. B Gefangen im Spiegelkabinett

Links: Die blauen und roten „Ovale“ symbolisieren stehende Wellen aus Laserlicht, die das Atom (orange) festhalten. Mit der drehbaren Glasscheibe links unten lässt sich das Atom zum Beispiel über die rote stehende Welle senkrecht zur Spiegelachse verschieben (blauer Doppelpfeil). Wenn das Atom ein Photon (gelb) aussendet, dann fliegt dieses wie ein Pingpongball bis zu hunderttausend Mal zwischen den Spiegeln hin und her. Der rechte Spiegel ist ein kleines bisschen durchlässig, sodass das Photon irgendwann nach rechts entkommen kann. Rechts: Hier trifft es auf einen Strahlteiler, der es mit einer Wahrscheinlichkeit von jeweils 50 Prozent zu dem einem oder dem anderen der beiden Detektoren schickt, was dort ein Klick-Signal auslöst.

Zunächst müssen die Physiker ein Atom einfangen und „festhalten“. Das erfordert extremes Abkühlen. Denn warme freie Atome flitzen mit der Geschwindigkeit eines Kampfjets durch die Gegend. Die Garchinger stellen daher in einer Vakuumkammer eine ultrakalte Wolke aus beispielsweise Rubidium-Atomen her und bremsen diese zum Kühlen mit Laserlicht ab. Dabei erreichen die Atome fast den absoluten Temperaturnullpunkt bei minus 273,15°C. Nun kicken die Max-Planck-Forscher eines der langsamen Atome mit Laserlicht in eine Art Spiegelkabinett hinein (Abb. B links). In dessen Zentrum fängt eine „Laserpinzette“ das Atom ein. Zwischen den Spiegeln herrscht ein Hochvakuum, damit das Atom ungestört bleibt. Die beiden Spiegel haben einen Abstand von ungefähr einem Zehntel Millimeter – ein Menschenhaar würde gerade noch dazwischen passen. Könnte man seinen Kopf dazwischen stecken, dann würde man sich hunderttausend Mal selbst als Spiegelbild im Spiegelbild sehen.

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