Als wäre es nicht schon kompliziert genug mit der Natur des Lichts, das irgendwie zugleich Teilchen (Photon) und Welle ist. Nun berichten Wissenschaftler auch noch, dass einzelne Lichtteilchen, obwohl sie eigentlich keine Masse besitzen sollen, interagieren können.
Deshalb ist die Vorstellung von Laserschwertern, die wie in den Filmen der Star-Wars-Reihe gegeneinanderstoßen, völliger Blödsinn. Zumindest wenn es sich um Laserstrahlen handelt, wie wir sie heute kennen. Kreuzen sich solche Strahlen, so passiert ... gar nichts.
Mikhail Lukin von der Harvard University, Vladan Vuletic vom Massachusetts Institute of Technology und ihre Teams haben nun allerdings Photonen dazu gebracht, doch in Wechselwirkung zu treten. "Wir haben eine spezielle Form von Medium geschaffen, in der Photonen so stark interagieren, dass sie beginnen, so zu wirken, als hätten sie eine Masse", erklärt Lukin einer Pressemitteilung der Harvard University zufolge. "Sie verbinden sich zu Molekülen." Bislang habe man einen solchen Zustand von Photonen nur in der Theorie diskutiert, aber noch nie beobachtet.
Das Medium, von dem Lukin spricht, ist eine Wolke von Rubidium-Atomen in einer Vakuumkammer, die auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. In dieses Rubidium-Gas feuerten die Forscher einzelne Photonen. Auf dem Weg durch die Wolke werden die Teilchen abgebremst, während sie Energie an die Rubidium-Atome abgeben. Diese Energie wandert von Atom zu Atom und verlässt die Wolke wieder gemeinsam mit dem Lichtteilchen.
"Der Effekt ist der gleiche wie der, den wir bei der Brechung von Licht in einem Wasserglas sehen", sagt Lukin. "Das Licht tritt in das Wasser ein, übergibt einen Teil seiner Energie an das Medium und existiert darin als Licht und Materie, die miteinander verbunden sind. Aber wenn es wieder ausstritt, ist es immer noch Licht."
Der Prozess in ihrem Experiment sei der gleiche, nur etwas extremer. "Das Licht wird beträchtlich verlangsamt und viel mehr Energie wird abgegeben als bei der Lichtbrechung."
Als die Forscher nun zwei Photonen zugleich in die Wolke feuerten, kam es zu dem Effekt, von dem sie nun im Fachjournal Nature berichten: Die Photonen traten nicht als getrennte Teilchen aus der Atomwolke aus, sondern gemeinsam, gewissermaßen miteinander verbunden zu einer Art Photonen-Molekül.
Dessen Entstehung hängt offenbar mit der sogenannten Rydberg-Blockade zusammen: Demnach können benachbarte Atome nicht gleichzeitig gleichstark von Photonen angeregt werden. Wenn also zwei Photonen durch eine Wolke von Atomen sausen, "regt das erste ein Atom an, aber es muss weiter, bevor das zweite Photon ein benachbartes Atom anregen kann", sagt Lukin. Das führe dazu, dass die zwei Photonen sich gegenseitig durch die Wolke schieben und ziehen, während ihre Energie von einem Atom zum nächsten weitergegeben wird.
Es sei eine photonische Wechselwirkung, die über atomare Wechselwirkungen übertragen wird, erklärt der Physiker. "Die zwei Photonen verhalten sich deshalb wie ein Molekül, und wenn sie das Medium verlassen, tun sie das eher zusammen als einzeln."
Demnach zeigen die Lichtteilchen hier ein ganz anderes Verhalten als in einem normalen Laserstrahl. "Es ist keine unpassende Analogie, das hier mit Lichtschwertern zu vergleichen", findet Lukin. "Die Physik dessen, was in diesen Molekülen vor sich geht, ist ähnlich derjenigen, die wir in den Filmen sehen."
Vielleicht befürchten die Physiker nicht ganz zu Unrecht, dass ihre Erkenntnisse für Laien nur schwer zu verstehen sind. So ein Lichtschwert ist da natürlich ein schön plakativer und aufsehenerregender Vergleich. Allerdings ist es doch etwas anderes, wenn Physiker feststellen, dass unter extremen Bedingungen zwei einzelne Photonen in Wechselwirkungen treten können - oder ob ein kleiner Handgriff einen räumlich beschränkten und massiven Lichtstrahl erzeugt.
Realistischer erscheinen da die möglichen Anwendungsgebiete, die die Wissenschaftler in Nature erwähnen. So könnte ihre Erkenntnis vielleicht bei der weiteren Entwicklung von Quantencomputern helfen. "Photonen sind die beste Möglichkeit, um Quanteninformationen zu transportieren", sagt Lukin. "Bisher war es jedoch ein Handicap, dass Photonen nicht miteinander wechselwirken."
Bevor allerdings nun praktische Quanten-Schalter oder photonische Schaltkreise hergestellt werden können, müsste die Leistung noch verbessert werden. Und wenn es so weit ist ... vielleicht können wir dann ja auch beamen?