Neue Studie enthüllt geheime Eigenschaften von photonischen Bose-Einstein-Kondensaten

Messverfahren erlaubt Rückschlüsse auf schwer zugängliche Eigenschaften, zeigt Studie der Uni Bonn

In der Physik ist es unter bestimmten Bedingungen möglich, dass eine Vielzahl von Lichtteilchen sich zu einem sogenannten „Super-Photon“ vereint, was als photonisches Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird. Forscher an der Universität Bonn konnten nachweisen, dass dieser spezielle Zustand den Gesetzen der Physik gehorcht, was es ermöglicht, versteckte Eigenschaften solcher photonischen Bose-Einstein-Kondensate aus erfassten Messdaten abzuleiten. Diese bahnbrechende Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Um Lichtteilchen zu kondensieren, werden ähnliche Techniken wie bei Bose-Einstein-Kondensaten angewandt, indem die Photonen auf kühle Farbstoffmoleküle treffen. Die Forscher an der Universität Bonn haben einen winzigen Behälter mit einer Farbstoff-Lösung versehen, dessen Wände verspiegelt waren. Durch Anregung der Farbstoff-Moleküle mit einem Laserstrahl wurden die entstehenden Photonen zwischen den Spiegeln reflektiert und auf diese Weise weiter abgekühlt. Letztendlich entstand ein Quantengas durch die Kondensation der Lichtteilchen.

Flackernde Super-Photonen und das Regressions-Theorem

Sogar nach der Kondensation zeigte das Quantengas eine Fluktuation in der Anzahl der enthaltenen Lichtteilchen, was einem Flackern ähnelte. Dieses Flackern nutzten die Forscher, um die Gültigkeit des Regressions-Theorems in einem Quantensystem zu untersuchen. Das Regressions-Theorem besagt im Grunde, dass ein System auf eine gezielte Störung genauso reagiert, wie es auch ohne Störung fluktuiert. Dieses wurde erfolgreich bei den Super-Photonen nachgewiesen.

Um die Reaktion des Quantengases auf Störungen zu untersuchen, entwickelten die Forscher eine Methode, die statistische Fluktuationen aufzeichnete und dann durch gezielte Störungen mittels eines weiteren Lasers die Reaktion des Super-Photons analysierte. Es stellte sich heraus, dass das Quantengas selbst bei starken Störungen entsprechend den Fluktuationen reagierte, was bedeutende Auswirkungen auf die Grundlagenforschung hat.

Relevanz für die Grundlagenforschung und mögliche Anwendungen

Der Nachweis, dass photonische Bose-Einstein-Kondensate aufgrund des Regressions-Theorems reagieren, ermöglicht es Forschern, schwer zugängliche Eigenschaften kontrolliert abzuleiten. Dies könnte beispielsweise die Vorhersage des Verhaltens neuer photonischer Materialien erleichtern und ihre Anwendungsmöglichkeiten besser einschätzen. Die enge Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Institutionen wie der Universität Antwerpen und der Universität Freiburg sowie die vielfältige Förderung zeigen die hohe Bedeutung dieser Studie für die physikalische Forschung.