Kondensiertes Licht und Große Kanonen

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2010 haben Forscher von der Uni Bonn ein Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen hergestellt. Und während Bose-Einstein-Kondensate normalerweise eine konstante Anzahl an Teilchen enthalten, hat die Gruppe um Professor Martin Weitz dieses System jetzt verwendet, um ein Bose-Einstein Kondensat mit variabler Teilchenanzahl (einem “statistischem Flackern von Superphotonen”) zu erzeugen.

Manchmal überrasche ich mich auch selbst. Wo ich doch jetzt mit Daten und so rummache, habe ich die Physik beunruhigend lange vernachlässigt. Und als ich auf dieses neue Paper stieß, hatte ich doch kurz Zweifel ob ich was dazu schreiben soll. Aber siehe da – ich habe bereits in 2010 über die Ursprungsarbeit berichtet, und Damals-Jörg konnte es Heute-Jörg ausreichend gut erklären, dass Heute-Jörg wenigstens ein kurzes Update verbloggen kann!

Damals: Kondenslicht

Falls ihr keine Lust verspürt, den alten Post nachzulesen, hier eine kurze Zusammenfassung. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein spezieller Materiezustand. Unser Verständnis der Natur äußert sich ja so, dass Materie sowohl Wellen- wie auch Teilchenaspekte zeigt. Und während die Wellennatur bei den Teilchen, denen wir üblicherweise begegnen eher nicht bemerkbar macht, ändert das sich bei sehr tiefen Temperaturen. Hier fallen Bosonen, Teilchen die elementare Zustände teilen (im Gegensatz zu Fermionen, die eigenbrödlerisch darauf bestehen, dass kein anderes Fermion den gleichen Zustand einnimmt), in den gleichen tiefen Energiezustand, und ihre Wellenfunktion wird so groß, dass ein ganzer Haufen Teilchen sich gleichartig gemeinsam zu einer Art “Superteilchen”, dem Kondensat, zusammenfindet.

Die Teilchen des Lichts, Photonen, sind ebenfalls Bosonen, und mit speziellen optischen Tricks in einem Farbstoffmedium gelang es der Bonner Gruppe 2010, ein Bose-Einstein-Kondensat aus Licht zu erzeugen. Den Kern bildete dabei neben dem Farbstoffmedium, das kühlend wirkt und so die Kondensation auslöst, ein Spiegelsystem. Dieses beschränkt den Aktionsradius der Photonen auf zwei Dimensionen, sodass die Photonen sich wie massive Teilchen verhalten und bei endlicher Temperatur in ein Kondensat verfallen.

Heute: Großkanonische Ensemble

In der theoretischen Thermodynamik werden Systeme von Teilchen mit bestimmten Statistiken beschrieben und einfachen Modellvorstellung darüber, wie das physikalische Verhältnis der Teilchen zueinander und zu ihrer Umwelt beschrieben werden kann. Das sogenannte mikrokanonische Ensemble beschreibt ein sehr striktes System, in dem sowohl Energie wie auch Teilchenzahl gleich bleiben. Die weiteren Ensemble stellt man sich vor, in dem man den Austausch mit einem Reservoir erlaubt, mit zwei Möglichkeiten: Im Austausch mit einem relativ kleinen Reservoir darf die Energie um einen Mittelwert schwanken – das kanonische Ensemble. Und schließlich, im Tauschhandel mit einem sehr großen Reservoir spricht man von einem großkanonischen Ensemble.

Diese sehr abstrakten Konzepte verwendet man, um das Verhalten von Vielteilchensystemen vorherzusagen. Bose-Einstein-Kondensate sind sehr schwierig herzustellen, und wurden bislang unter mikrokanonischen Bedingungen, also unter Ausschluss von Fluktuationen in Energie oder Teilchenzahl, hergestellt und analysiert. Für den Übergang zu einem Bose-Einstein-Kondensat unter großkanonischen Bedingungen erwartet man theoretisch eine erstaunliche Beobachtung: dass die Teilchenanzahl sehr stark fluktuiert (was man mit dem schönen Begriff großkanonische Fluktuationskatastrophe bezeichnet).

Im Experimentaufbau mit einem photonischen Bose-Einstein-Kondensat gibt es reell ein Reservoir: Die Farbstoffmoleküle, die für die beharrliche Nachlieferung von Photonen für das Kondensat sorgen. Wenn man nun sehr viele Farbstoffmoleküle einbringt, erzielt man großkanonische Bedingungen: Ein großes Reservoir an Photonen, dass es physikalisch möglich macht, in einem Moment sehr viel weniger und dann plötzlich sehr viel mehr Photonen als im Mittel anzufinden. Und genau das haben die Forscher jetzt nachgewiesen. das Paper ist in den Physical Review Letters erschienen, und das PDF dazu ist frei verfügbar, da es von der American Physical Society speziell vorgestellt wurde.

So konnten die Forscher eine offene Frage der Physik beantworten: Dass Bose-Einstein-Kondensate auch unter schwankender Teilchenzahl möglich sind. Und unterwegs einige interessante neue Beobachtungen gemacht, Fragen aufgeworfen, und Möglichkeiten aufgezeigt, um die statistischen Zustände von Materie weiter zu verstehen.

Bildquelle: Uni Bonn/AG Prof. Weitz