Abstossung zwischen Lichtteilchen

Umwandlung in Polaritonen

?Stark wechselwirkende Photonen sind so etwas wie der Heilige Gral in unserem Fachgebiet, der Photonik?, erkl?rt Aymeric Delteil, der in Imamo?lus Labor als Postdoktorand arbeitet. Um die Lichtteilchen dazu zu bringen, sich gegenseitig abzustossen, m¨¹ssen er und seine Kollegen allerdings einigen Aufwand betreiben. Mittels einer Glasfaser leiten sie kurze Laserpulse in einen optischen Resonator, in dem das Licht stark geb¨¹ndelt auf ein Halbleitermaterial trifft. Dieses Material (hergestellt von Imamo?lus Kollegen in W¨¹rzburg und St. Andrew¡¯s in Schottland) wird in einem Kryostaten ¨C einem extrem leistungsf?higen K¨¹hlschrank ¨C auf minus 269 Grad Celsius abgek¨¹hlt. Bei diesen niedrigen Temperaturen k?nnen sich die Photonen mit elektronischen Anregungen des Materials vereinen. Durch diese Vereinigung entstehen dann sogenannte Polaritonen. Am anderen Ende des Materials werden diese wieder zu Photonen, die den Resonator verlassen.

Da zwischen den elektronischen Anregungen elektromagnetische Kr?fte wirken, entsteht auch zwischen den Polaritonen eine Wechselwirkung. ?Dieses Ph?nomen konnten wir schon fr¨¹her nachweisen?, sagt Imamo?lu. ?Allerdings war der Effekt damals noch so schwach, dass nur die Wechselwirkungen vieler Polaritonen eine Rolle spielten, nicht aber die paarweise Abstossung zwischen zwei einzelnen Polaritonen.?  

Korrelationen signalisieren Wechselwirkung

In ihrem neuen Experiment konnten die Forscher nun nachweisen, dass tats?chlich einzelne Polaritonen ¨C und damit indirekt die Photonen, die in ihnen enthalten sind ¨Cmiteinander wechselwirken. Dies ist erkennbar an der Art und Weise, wie die Photonen, die aus dem Resonator wieder austreten, miteinander korrelieren. Um diese sogenannte Quantenkorrelation zu bestimmen misst man die Wahrscheinlichkeit, dass nach einem Photon in kurzem Abstand noch ein zweites aus dem Resonator austritt. Kommen sich die Photonen ¨¹ber ihre Polaritonen im Halbleiter gegenseitig in die Quere, so ist diese Wahrscheinlichkeit geringer, als man das von nicht miteinander wechselwirkenden Photonen erwarten w¨¹rde.

Im Extremfall sollte es sogar zu einer ?Photonen-Blockade? kommen, ein Effekt, den Imamo?lu bereits vor 20 Jahren postuliert hat: Ein Photon im Halbleitermaterial, das ein Polariton gebildet hat, hindert ein weiteres Photon komplett daran, in das Material einzudringen und dort ebenfalls zum Polariton zu werden. ?Davon sind wir allerdings noch ein St¨¹ck entfernt, ? r?umt Imamo?lu ein, ?doch mittlerweile haben wir unser soeben ver?ffentlichtes Ergebnis nochmals verbessert. Wir sind also auf dem richtigen Weg.?  Imamo?lus Fernziel ist es, die Photonen so stark wechselwirken zu lassen, dass sie sich wie Fermionen verhalten ¨C wie Quantenteilchen also, die sich niemals am selben Ort aufhalten k?nnen.

Interesse an stark wechselwirkenden Polaritonen

Um Anwendungen geht es Imamo?lu zun?chst nicht. ?Das ist wirklich Grundlagenforschung?, sagt er. ?Aber wir hoffen, irgendwann so stark wechselwirkende Polaritonen zu erzeugen, dass wir an ihnen neue quantenphysikalische Effekte untersuchen k?nnen, die sonst schwer zu beobachten sind.? Dabei interessiert sich der Physiker insbesondere f¨¹r Situationen, in denen die Polaritonen zus?tzlich mit ihrer Umwelt in Verbindung stehen und mit ihr Energie austauschen. Dieser Energieaustausch, verbunden mit den starken Wechselwirkungen der Polaritonen, soll nach Berechnungen theoretischer Physiker zu Ph?nomenen f¨¹hren, die bisher nur im Ansatz erkl?rt werden k?nnen. Experimente, wie sie Imamo?lu durchf¨¹hrt, k?nnten also helfen, die theoretischen Modelle besser zu verstehen.