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Licht zum Stillstand gebracht

Eingefrorene Informationen / Pulse in Atomwolke gespeichert / Elastische Stöße

Von Rainer Scharf

Nichts kommt schneller voran als das Licht im Vakuum. In einer Sekunde legt es fast 300 000 Kilometer zurück. Durchsichtige Substanzen wie Glas oder Wasser hemmen indes die Ausbreitung des Lichts und können seine Geschwindigkeit um mehr als die Hälfte verringern. Soll das Licht noch weiter verlangsamt werden, muß man es durch Substanzen mit ungewöhnlichen optischen Eigenschaften laufen lassen. Vor zwei Jahren gelang es der dänischen Physikerin Lene Vestergaard Hau und ihren Mitarbeitern vom Rowland Institute for Science in Cambridge/ Massachusetts, die Lichtgeschwindigkeit auf 17 Meter in der Sekunde zu reduzieren. Dazu schickten sie das Licht durch ein optisch angeregtes, ultrakaltes Gas aus Natriumatomen. Kürzlich konnten sie und eine von ihnen unabhängige Arbeitsgruppe am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge/Massachusetts das Licht für Sekundenbruchteile sogar zum Stillstand bringen und es anschließend nahezu unverändert weiterlaufen lassen.

Beiden Experimenten, sowohl dem von Lene Vestergaard Hau ("Nature", Bd. 409, S. 490) als auch dem von Ronald Walsworth und seinen Mitarbeitern ("Physical Review Letters", Bd. 86, S. 783), liegt ein bemerkenswertes optisches Phänomen zugrunde: die elektromagnetisch induzierte Transparenz. Unter bestimmten Bedingungen kann man mit Hilfe von Licht eine lichtundurchlässige Substanz transparent machen. Um die elektromagnetisch induzierte Transparenz hervorzurufen, richteten die Wissenschaftler Laserstrahlung abgestimmter Frequenz auf extrem kalte und zunächst lichtundurchlässige Gaswölkchen aus Natrium- beziehungsweise Rubidiumatomen. Daraufhin wurden die Wölkchen für Laserlicht einer ganz bestimmten Frequenz durchlässig. Die gemeinsame Wirkung der beiden Laserquellen auf die Atome führte zu einem quantenmechanischen Interferenzeffekt, der die Absorption des Laserlichts durch die Atome verhinderte. So konnte das Laserlicht in die Atomwolke eindringen, allerdings mit stark verringerter Geschwindigkeit. In der Gaswolke kam es nur sehr langsam voran, da es die Spins der Elektronen in den Atomen zu Schwingungen anregen mußte, wenn es an ihnen vorbeiflog. Auf diese Weise entstand ein sogenanntes dunkles Polariton, ein gemeinsamer Schwingungszustand von Licht und nichtabsorbierenden und daher dunklen Atomen.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in der Atomwolke nur einige Meter in der Sekunde betrug, wurde ein ursprünglich kilometerlanger Lichtpuls auf weniger als ein tausendstel Millimeter komprimiert. Damit paßte er bequem in die kleine Atomwolke hinein. Als der Lichtpuls vollständig in der Wolke war, hoben die Wissenschaftler deren elektromagnetisch induzierte Transparenz wieder auf, indem sie die Laserstrahlung ausschalteten. Nun gab es kein Vorankommen mehr für den Puls, da die Atomwolke wieder lichtundurchlässig geworden war. Die Wolke konnte den Puls aber auch nicht einfach absorbieren, da dieser jetzt keine elektromagnetische Strahlung mehr enthielt, sondern gänzlich in den Ausrichtungen der Elektronenspins gespeichert war. In dem räumlichen Muster der Spins war die Information über die Intensität und die Schwingungsform des Lichtpulses gleichsam eingefroren. Dieses Muster blieb für rund eine tausendstel Sekunde erhalten, bevor es, aufgrund elastischer Zusammenstöße der Atome in der Gaswolke, langsam ausgelöscht wurde.

Solange die Information über den Lichtpuls noch in der Atomwolke gespeichert war, konnte der Puls wieder in Bewegung gesetzt werden. Um dies zu erreichen, richteten die Forscher abermals die Laserstrahlung auf die Wolke und machten sie dadurch ein weiteres Mal transparent. Als die Strahlung auf das in den Atomen gespeicherte Muster traf, wurde sie zum Teil in einen Lichtpuls umgewandelt, der sich vom ursprünglichen Lichtpuls nicht unterschied. Der Puls setzte daraufhin seinen Weg durch die Atomwolke fort, so als sei in der Zwischenzeit nichts geschehen. Beide Forschergruppen konnten auf diese Weise Lichtpulse zum Stillstand bringen, für fast eine tausendstel Sekunde speichern und schließlich weiterlaufen lassen. Lene Vestergaard Hau und ihren Mitarbeitern gelang es sogar, mehrere Lichtpulse hintereinander zu erzeugen, indem sie die Laserstrahlung einige Male an- und abschalteten und dadurch das atomare Muster mehrfach auslasen. Die Intensität der Pulse wurde allerdings von Mal zu Mal geringer.

Die jetzt erreichte detailgetreue, "kohärente" Speicherung von Lichtpulsen in den Spinzuständen einer großen Zahl von Atomen eröffnet neue Möglichkeiten, quantenmechanische Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Dies ist eine Voraussetzung für den Bau eines Quantencomputers, der die Gesetze der Quantenmechanik konsequent ausnutzt und dadurch herkömmlichen Computern weit überlegen sein sollte. So könnte es möglich werden, extreme Quantenzustände des Lichtes - wie die sogenannten verschränkten oder gequetschten Zustände - auf eine größere Zahl von Atomen zu übertragen, gezielt zu verändern und schließlich mit Licht wieder auszulesen. Die dabei benutzten Elektronenspins sind längst nicht so störanfällig wie zum Beispiel die angeregten Zustände der Elektronen in den Atomen. Doch man muß die Störanfälligkeit noch wesentlich verringern, will man die Elektronenspins in einem Ouantencomputer als Speicherelemente nutzen.

Um die Veröffentlichung der beschriebenen Resultate hat es übrigens ein ungewöhnliches Wettrennen gegeben. Die Arbeiten von Hau und ihrer Arbeitsgruppe sowie von Walsworth und seinen Mitarbeitern wurden nahezu zeitgleich im Internet veröffentlicht - Wochen bevor sie im Druck erscheinen werden. So ging die Nachricht vom stillstehenden Licht fast mit Lichtgeschwindigkeit um den Globus. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 24.01.2001, Nr. 20 / Seite N1

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