Sogenannte Superradianz, ein Quanteneffekt bei dem mehrere Atome gleichzeitig einen intensiven Lichtblitz erzeugen, ist experimentell schwer zu realisieren. Unter Verwendung eines speziell präparierten künstlichen Diamanten ist Physikern der Technischen Universität (TU) Wien nun jedoch der Nachweis gelungen. Ihre Ergebnisse präsentierten die Forscher im Fachjournal "Nature Physics".
Theoretische Voraussagen für den Effekt gibt es bereits seit über 50 Jahren: Befinden sich mehrere energetisch angeregte Atome nah genug zusammen, können sie spontan im selben Augenblick ihre überschüssige Energie in Form eines kurzen Strahlungsblitzes abgeben. Dabei müssen sich allerdings alle Atome in einem Bereich befinden, der kleiner ist als die Wellenlänge der emittierten Strahlung. Im Fall von sichtbaren Licht wären das etwa 100 Nanometer, also ein Zehntausendstel eines Millimeters.
"Wenn die Atome so nah beieinander liegen, beeinflussen sie sich allerdings gegenseitig und verhindern dadurch das Auftreten der Superradianz", erklärt der Leiter der Forschungsgruppe, Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien gegenüber der APA. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bieten künstliche Diamanten, in die winzige Defekte, sogenannte Stickstofffehlstellen, eingebaut sind.
Die verwendeten Diamanten wurden von Projektpartnern in Japan angefertigt. Dort ist es gelungen, die bisher höchste erreichte Konzentration an gewünschten Fehlstellen zu erzeugen, ohne darüber hinaus Schäden im Kristall zu verursachen. "Man kann sich diese Fehlstellen im Grunde vorstellen wie Atome, deren Elektronen Zustände unterschiedlicher Energie einnehmen können", so Majer. "Nur dass sie diese Energie nicht als Licht, sondern in Form von Mikrowellen abgeben."
Da Mikrowellen Wellenlängen von mehreren Zentimetern aufweisen, sind sämtliche Fehlstellen des wenige Millimeter großen Kristalls in die Entstehung der Superradianz involviert. Gleichzeitig sind die Fehlstellen aber auch so weit voneinander entfernt, dass sie sich nicht gegenseitig durch direkte Wechselwirkungen beeinflussen.
Ähnlich wie beim Laser
Sendet nun eine Fehlstelle spontan ein Mikrowellen-Photon aus, beeinflusst sie alle anderen Fehlstellen im Kristall und löst so den Lichtblitz aus. Das erfolgt in etwa nach demselben Grundprinzip wie in einem Laser, wo ein Photon auf ein angeregtes Atom trifft und dieses zu Emission eines weiteren Photons stimuliert. Im Gegensatz zum Laser, wo sehr viele Photonen nötig sind, um ständig neue Atome anzuregen, löst bei der Superradianz jedoch ein einziges Photon ganz alleine den gesamten Lichtblitz aus.
"Man darf dieses Bild von dem einen Teilchen, dass den Effekt auslöst, aber nicht überstrapazieren", warnt Majer. "Es handelt sich vielmehr um einen kollektiven Quanteneffekt, bei dem die beteiligten Teilchen nicht zu unterscheiden und somit alle völlig gleichwertig sind." Deshalb gehen die Forscher auch davon aus, dass sich das emittierte Licht in seiner Grundstruktur von dem eines herkömmlichen Lasers unterscheidet. Um das zu bestätigen, sind aber noch weitere Experimente erforderlich.
Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41567-018-0269-7
(APA/red, Foto: APA/TU Wien)
