Rote Ampel für Licht

01.08.2013

Rote Ampel für Licht

Physiker der TU Darmstadt frieren Lichtbewegung für eine Minute ein

Etwas anhalten, was größtmögliches Tempo besitzt und eigentlich nie stoppt – dies ist Darmstädter Physikern um Professor Thomas Halfmann gelungen. Sie froren Lichtbewegung für mehr als eine Minute in einem Kristall ein und schafften es, so lange ein Bild zu speichern.

Blick über den Laser-Aufbau zum Lichtspeicher-Experiment. Im Bild sind Lichtleitfasern zu sehen, die die orange Laserstrahlung an das Experiment (im Hintergrund) führen. Bild: Katrin Binner
Das Lichtspeicher-Experiment: Erfolg durch raffinierte Kombination bekannter Methoden. Bild: Katrin Binner

Schon seit einigen Jahren konnten Forscher Licht für einige Sekunden anhalten – in extrem kalten Gasen und speziellen Kristallen. Doch nun machten die Darmstädter Forschern einen großen Wurf bei der möglichen Dauer des Einfrierens der Lichtbewegung.

Die Physiker um Thomas Halfmann vom Arbeitsgebiet Nichtlineare Optik und Quantenoptik des Instituts für Angewandte Physik der TU Darmstadt haben Licht für über eine Minute angehalten. Bilder, die durch den Lichtpuls in den Kristall transferiert wurden konnten sie ebenfalls eine Minute lang speichern – eine Millionen Mal länger als bislang möglich.

Den Rekord haben die Forscher erzielt, indem sie verschiedene bekannte Methoden ihres Faches auf raffinierte Weise kombinierten. Praktische Bedeutung könnte das Ergebnis für künftige, mit Licht operierende Datenverarbeitungssysteme erlangen.

Kristall als Bremsklotz

Als „Bremsklotz“ diente den Physikern ein glasähnlicher Kristall, der in geringer Konzentration Ionen – elektrisch geladene Atome – des Elementes Praseodym enthält. Zum Versuchsaufbau gehören zudem zwei Laserstrahlen. Der eine ist Teil der „Bremsvorrichtung“, der andere soll gebremst werden. Der erste, „Kontrollstrahl“ genannte Lichtstrahl verändert die optischen Eigenschaften des Kristalls: Die Ionen verändern die Lichtgeschwindigkeit nun sehr stark.

Der zweite, zu bremsende Strahl trifft nun auf dieses neue Medium aus Kristall und Laserlicht und wird darin stark verlangsamt. Wenn die Physiker den Kontrollstrahl im gleichen Moment abschalten, in dem sich der andere Strahl im Kristall befindet, kommt der gebremste Strahl darin zum Stillstand.

Genauer gesagt, verwandelt sich das Licht in eine Art im Kristallgitter gefangene Welle. Das lässt sich, stark vereinfacht, wie folgt verstehen: Die Praseodym-Ionen werden von Elektronen umkreist. Diese verhalten sich ähnlich wie aneinandergereihte Magnete: Stößt man einen von ihnen an, pflanzt sich die Bewegung vermittelt durch magnetische Kräfte in der Reihe wie eine Welle fort.

Streifenmuster aus Laserlicht gespeichert

Prof. Dr. Thomas Halfmann leitet das Arbeitsgebiet Nichtlineare Optik und Quantenoptik am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Darmstadt. Bild: Katrin Binner
Das Team um Professor Halfmann schaffte es, Licht für eine Minute zu speichern. Bild: Katrin Binner

Da Physiker den Magnetismus von Elektronen „Spin“ nennen, ergibt sich beim Einfrieren des Laserstrahls analog eine „Spinwelle“. Diese ist ein Abbild der Lichtwelle des Lasers. Auf diese Weise ist es den Darmstädter Forschern gelungen, auch Bilder, zum Beispiel ein Streifenmuster, aus Laserlicht in dem Kristall zu speichern. Die Information lässt sich wieder auslesen, indem man den Laserstrahl erneut einschaltet.

Dass so bislang nur sehr kurze Speicherzeiten gelangen, liegt daran, dass Umwelteinflüsse die Spinwelle störten, ähnlich wie fahrende Schiffe Wellen in einem See durcheinanderbringen. Die Information über die gespeicherte Lichtwelle geht dabei nach und nach verloren. Lindern lassen sich die Umwelteinflüsse durch Anlegen eines Magnetfeldes sowie durch Hochfrequenz-Pulse. Diese Felder reduzieren sozusagen die Zahl der Schiffe auf dem See.

Eine Minute Speicherzeit ist nur der Anfang

Wie gut das gelingt, hängt empfindlich von der Stärke und Richtung des Magnetfeldes und der Hochfrequenz-Pulse ab. Dabei gibt es äußerst viele Variationsmöglichkeiten, und die optimale Einstellung lässt sich wegen der Komplexität kaum berechnen. Daher haben die Darmstädter Forscher Computer-Algorithmen verwendet, die während des Experiments voll-automatisch und schnell die besten Lösungen finden.

Einer der Algorithmen orientiert sich an der Evolution in der Natur, die möglichst gut an die Umwelt angepasste Organismen hervorbringt. Mittels der Algorithmen konnten die Forscher Laserstrahlen, Magnetfeld und Hochfrequenz-Pulse so einstellen, dass die Spinwellen fast so lange überlebten wie es in dem Kristall überhaupt möglich ist.

Aufbauend auf diesem Erfolg will Halfmanns Team nun Techniken erforschen, um Licht noch deutlich länger – möglicherweise eine Woche lang – zu speichern, sowie eine höhere Breitbandigkeit und Datentransferrate der Informationsspeicherung durch gestopptes Licht zu erreichen.

zur Liste