Eingefrorener Laser Wissenschaftler haben Licht eine Minute gespeichert

Es klingt etwas seltsam: Physiker der TU Darmstat haben es für eine Minute geschafft, Licht zu speichern. Auch Bilder, die in einem Kristall transferiert wurden, konnten sie einfrieren. Was steckt dahinter?

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Licht ist ein bestimmter Teil einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle und breitet sich im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von beinahe 300.000 Kilometer pro Sekunde aus. Doch ist es technisch möglich, so eine elektromagnetische Welle auch abzubremsen, vielleicht sogar zu stoppen? Schon seit einigen Jahren konnten Forscher Licht für einige Sekunden anhalten. Das war in extrem kalten Gasen oder speziellen Kristallen möglich.

Physiker der TU Darmstadt haben es jetzt geschafft, Licht für über eine Minute anzuhalten. Thomas Halfmann vom Arbeitsgebiet Nichtlineare Optik und Quantenoptik hat mit seinen Kollegen sogar Bilder, die durch den Lichtpuls in den Kristall transferiert wurden, ebenfalls eine Minute lang gespeichert – 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 bremst das Licht aus

Als Bremse 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 Teil ist die 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.

Bisher nur kurze Speicherzeiten

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.

Licht bis zu einer Woche im Kristall speichern

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 vollautomatisch 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.

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