Forscher auf der Jagd nach einzelnen Photonen

Atome gefangen im Spiegelkabinett

Dieser Aufwand ist nötig, weil ein Atom eine extrem schwache Lichtquelle ist. Um sie aufzuspüren, helfen die Superspiegel. Sobald das Atom aufleuchtet, wird es mit seinen Spiegelbildern konfrontiert. „Für das Atom sieht es so aus, als wären hunderttausend andere leuchtende Atome da, die alle genau im selben Takt Lichtwellen abstrahlen“, erklärt Rempe. Diese Kette aus virtuellen „Atomblinklichtern“ animiert das Atom dazu, sein Licht präzise entlang dieser Reihe auszusenden. So können die Garchinger das Licht gezielt mit einem Detektor einfangen und vermessen.

Doch was genau passiert nun, wenn ein Atom leuchtet oder umgekehrt Licht „absorbiert“? Seit Einsteins Erklärung des Fotoeffekts hat die Quantenphysik folgendes Bild geschaffen: Atome nehmen Licht portionsweise in Quantensprüngen auf oder senden es aus. Diese Lichtquanten heißen Photonen. Die Mitspieler in den Atomen sind die Elektronen. Sie können zwischen Quantenzuständen niederer und höherer Energie hinauf- oder herabspringen, wie auf den Sprossen einer Leiter. Beim Raufhüpfen nimmt ein Elektron Lichtenergie in Form eines Photons auf, beim Runterhüpfen sendet es wieder ein Photon aus. Beim sichtbaren Licht entsprechen die Leitersprossen den beiden untersten Energiezuständen eines Atoms. Deshalb heißen sie in Rempes Forschungsgebiet, der Quantenoptik, auch einfach Grundzustand und angeregter Zustand. Grundsätzlich ist dieses Bild korrekt. Doch es beschreibt nur den Zustand vor und nach der Wechselwirkung mit dem Licht – was genau dazwischen passiert, das müssen die Forscher erst noch herausfinden.

Wie man ein Photon zweifelsfrei nachweist

Das Gespräch mit Rempe zeigt vor allem, wie schwierig es ist, echte einzelne Photonen zu produzieren und nachzuweisen. Mit Laserlicht ist das, praktisch gesehen, schier unmöglich. In herkömmlichen Lichtquellen, seien es die Sonne oder eine Glühbirne, senden Atome zufällig Photonen aus. In der Physik heißt das spontane Emission. Wann ein Atom spontan kurz aufleuchtet, lässt sich nicht vorhersagen. In einem Laser dagegen werden Atome dazu angeregt, im Gleichtakt mit vorbeiflitzenden Photonen weitere Photonen gleicher Energie auszusenden (siehe auch TECHMAX 6). Diese induzierte oder stimulierte Emission hat Einstein 1917 theoretisch vorhergesagt. Das Resultat ist beim Laser eine lange, nahezu perfekte Lichtwelle. Einzelne Photonen gehen in ihr auf wie Wassertropfen in einer Meereswelle. Sie sind kaum nachweisbar, selbst wenn man das Laserlicht ganz schwach macht, lernt man bei Rempe. Gibt es überhaupt einzelne Photonen? Es gibt sie! Und um sie dingfest zu machen, schickt man den zu untersuchenden Lichtstrahl auf einen halbdurchlässigen, um 45 Grad zum Strahl gedrehten Spiegel (Abb. B rechts). Dieser teilt das Licht in zwei gleich intensive Teilstrahlen auf – ein Strahl durchdringt den Spiegel, der andere wird senkrecht dazu abgelenkt. Beide Teilstrahlen kann man nun auf empfindliche Lichtempfänger schicken.

In unserem Beispiel sollen sie den Empfang von Licht mit einem „Klick“ quittieren. Bei normal intensivem Laserlicht würden beide Empfänger ein Dauersignal liefern, aus dem man keine Klicks heraushören kann. Bei extrem schwachem Licht zerfällt dieses Dauersignal tatsächlich in hörbare Klicks. Bei ultraschwachem Laserlicht klicken beide Empfänger zwar selten, aber trotzdem hin und wieder auch gleichzeitig. Das darf bei einzelnen Photonen nicht geschehen. Denn: „Photonen sind unteilbar“, erklärt Rempe die entscheidende Quanteneigenschaft. Also kann ein Photon mit jeweils 50 Prozent Wahrscheinlichkeit entweder den Spiegel geradlinig durchfliegen oder abgelenkt werden. Auf jeden Fall wird es nur einen der beiden Empfänger klicken lassen. Dieser Einzelklick ist der sichere Nachweis eines Photons. Die ultimative Lichtquelle für einzelne Photonen ist das Atom – zum Beispiel im Garchinger Spiegelkabinett. Und die Garchinger zwingen es mit ihren Spiegeln, aktiv Photonen in eine Richtung abzustrahlen, womit sie die spontane Emission kontrollieren.

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