Buntes Licht zähmt Teilchen

Innsbrucker Physiker haben untersucht, wie sich bewegliche Teilchen in einem Lichtsammelsystem verhalten, wenn sie gleichzeitig mit unterschiedlichenLasern bestrahlt werden. Ihre überraschenden Ergebnisse haben sie nun in der neuen Online-Zeitschrift Optica der Optical Society veröffentlicht.
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Intensität des im Resonator gesammelten Lichts als Funktion der Position von drei Teilchen: Je größer die Kugeln desto mehr Licht ist im Resonator und desto stabiler ist die Lage der Teilchen.

Wie schon Albert Einstein erkannte, besitzen Lichtteilchen (Photonen) nicht nur Energie sondern auch Impuls. Sie üben daher auch Kräfte auf materielle Teilchen aus. Füllt man Atome, Moleküle oder Nanoteilchen in einen optischen Resonator und bestrahlt diesen mit Laserlicht, erzeugen diese Kräfte eine verblüffend komplexe Dynamik. „Die Teilchen streuen das Laserlicht in den Resonator und erzeugen damit gleichzeitig ihre eigene optische Falle“, erklären Valentin Torggler und Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Um ihre Energie zu minimieren, gehen sie in eine regelmäßige, geordnete Anordnung über.“ Diese Selbstorganisation von polarisierbaren Teilchen in Resonatoren ist für einen Laserstrahl bekannt und auch bereits experimentell nachgewiesen worden. Nun wollten die Innsbrucker Theoretiker wissen, wie sich die Teilchen verhalten, wenn sie gleichzeitig mit mehreren Lasern unterschiedlicher Farbe beleuchtet werden.

Gleichgewicht „lernen“

Wie ihre Simulationen zeigen, wird das Laserlicht dabei in verschiedenste Lichtmoden unterschiedlicher Frequenz gestreut. Die Lichtfelder dieser Moden konkurrieren nun darum, die Teilchen in die für sie jeweils günstigste Anordnung zu drängen. „Diese Dynamik endet in einem stabilen Gleichgewicht“, erzählen Torggler und Ritsch. „Durch Rauschen, wie es in realen, gedämpften Systemen immer präsent ist, können die Teilchen aber ihre Gleichgewichtsposition nach einiger Zeit wieder verlassen und finden dadurch noch stabilere Konfigurationen. In dieser Weise passt sich das System an die vorherrschende Beleuchtung an und fungiert als adaptives Lichtsammelsystem“, sagen die Physiker.
Auch wenn man zufällig zwischen einigen fix gewählten Beleuchtungen hin und her schaltet, steigt die gestreute Gesamtintensität mit der Zeit an und die Teilchen finden schneller einen stabileren Gleichgewichtszustand. „Diesen Prozess kann man auch als ‚Lernen’ interpretieren: Das System hat Information über eine bestimmte Beleuchtung, die schon einmal oder öfters angewendet wurde, in der Konfiguration der Teilchen abgespeichert und kann somit besser auf diese reagieren“, erläutert Helmut Ritsch dieses faszinierende Verhalten. Die Funktionsweise ähnelt dabei einer bestimmten Form neuronaler Netze. „Experimentell könnte so ein Aufbau sowohl mit kalten Gasen als auch mit Nanoteilchen in Lösungen realisiert werden“, freut sich Ritsch schon auf die baldige Umsetzung dieser Idee.