Erkundung von faszinierenden Quantenphänomenen und Teilchendynamik durch den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts
Licht ist sowohl eine Welle als auch ein Strom von Teilchen – Photonen. Klassisch betrachtet, stellen wir uns Licht als eine schwingende elektromagnetische Welle vor. Bei der Erforschung seiner Quantennatur hingegen liegt der Schwerpunkt auf den einzelnen Photonen. Diese Quantenperspektive fühlt sich logisch an, wenn wir es nur mit ein paar Photonen zu tun haben. Bei intensivem Licht – mit Millionen oder sogar Milliarden von Photonen – neigen wir dazu, wieder zum klassischen Denken zurückzukehren. In diesem System wird das Licht als kontinuierliche Welle beschrieben – die Vorstellung von Quanteneigenschaften kann hier kontraintuitiv erscheinen.
Starke Laserfelder prägen die Quantennatur des Lichts
Genau darauf konzentrierte sich das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt QUMATTO, indem es die Quantennatur des Lichts in Anwesenheit von Milliarden von Photonen erforschte. „Wir wollen diese enorme Anzahl von Photonen dazu bringen, sich auf eine Art und Weise zu verhalten, die dem konventionellen Verständnis von elektromagnetischen Wellen widerspricht“, erklärt Projektkoordinator Mikhail Ivanov. „Daher versuchen wir, eine große Anzahl von Photonen in einem breiten Frequenzbereich zu erzeugen, vom Infrarot bis zum extremen Ultraviolett, und sie in ungewöhnliche Quantenzustände zu bringen. Dazu gehören ‚spukhaft‘ verschränkte Zustände, bei denen Photonen mit unterschiedlichen Frequenzen auf mysteriöse Weise miteinander verbunden sind, oder Zustände, die an die berühmte Schrödinger-Katze erinnern, die in zwei scheinbar widersprüchlichen Zuständen gleichzeitig existiert.“ Diese einzigartigen Quantenzustände des Lichts sind die Bausteine der Quanteninformationstechnologien, in denen Photonen eine zentrale Rolle spielen. Bahnbrechend ist hier der Einsatz starker Laserfelder zur Steuerung der Bewegung der Elektronen, die dieses Licht aussenden, um völlig neue Quantenzustände des Lichts herbeizuführen. „In unserer jüngsten Arbeit, die in Physical Review X veröffentlicht wurde, untersuchen wir, wie starke klassische Lichtfelder genutzt werden können, um die Bewegung von Elektronen in Materie zu steuern und so die Quanteneigenschaften des Lichts, das diese Elektronen aussenden, zu verändern. Eine bemerkenswerte Vorhersage ist, dass das emittierte Licht erheblich ‚gequetscht‘ werden kann“, betont Ivanov. Dies bedeutet, dass bestimmte Quantenfluktuationen im Licht unter die Standardquantengrenze reduziert werden, eine Eigenschaft, die für die Quantentechnologien von unschätzbarem Wert ist.
Quantenlicht, das die Dynamik von Elektronen sichtbar macht
Über Jahre hinweg haben Forschende die Quanteneigenschaften von Attosekunden-Lichtblitzen untersucht, die von Atomen, Molekülen und Festkörpern ausgesandt werden. Diese Ausbrüche sind von zentraler Bedeutung für die Attosekundenphysik und -technologie und wurden sowohl mit dem Nobelpreis 2023 als auch mit dem Wolf-Preis 2022 für Physik ausgezeichnet. In den letzten 30 Jahren haben Forschungsteams die Kunst der Erzeugung, Steuerung und Anpassung dieser Ausbrüche erlernt, um die Elektronenbewegung in der Materie zu untersuchen und den komplizierten „Tanz“ zwischen Elektronen und Atomen in Molekülen und Festkörpern sichtbar zu machen. Bis vor kurzem haben die Forschenden jedoch die Quanteneigenschaften dieser Lichtblitze, die verborgene Details über das Verhalten der Elektronen enthüllen, weitgehend übersehen. „Wenn zum Beispiel Elektronen um die Aussendung eines Photons konkurrieren, bleiben die Quanteneigenschaften dieses Photons als ‚Erinnerung‘ ihres Kampfes erhalten, was neue Einblicke in ihre Wechselwirkungen ermöglicht“, bemerkt Ivanov. Dies eröffnet eine völlig neue Richtung in der ultraschnellen optischen Spektroskopie. „Anstatt sich nur auf die klassischen Eigenschaften des emittierten Lichts zu verlassen, um die Quantenbewegung in der Materie zu untersuchen, nutzen wir jetzt die Quanteneigenschaften des Lichts, um noch stärkere Details dahingehend aufzudecken, wie sich die Materie in hochgradig ungleichgewichtigen Zuständen verhält“, ergänzt Ivanov. Insgesamt erforschte QUMATTO neuartige Quantenlichtquellen in einem breiten Spektralbereich, die Fortschritte in den Bereichen Quantentechnologien, Quantensensorik und Präzisionsmetrologie ermöglichen. Darüber hinaus leisteten die Forschenden Pionierarbeit auf dem Gebiet der ultraschnellen optischen Spektroskopie, um sowohl klassisches Licht als auch Quantenlicht zu erforschen, was neue Einblicke in Materie ermöglichte, die sich in hochgradig ungleichgewichtigen Zuständen befindet.
Schlüsselbegriffe
QUMATTO, Quantenlicht, Laserfeld, ultraschnelle optische Spektroskopie, Nicht-Gleichgewichtszustände, Schrödingers Katze
