Ultrakalte Lithiumatome bilden in einem neuen Experiment eine bewegliche Materiewelle, die sich zwischen zwei Lichtflächen zu einem kompakten Puls bündelt. Eine der Lichtflächen schwingt im Takt der Resonanz und erzeugt damit eine Dynamik, die einem Schwarzen-Loch-Ereignishorizont ähnelt. Das Experiment bildet weder ein echtes Schwarzes Loch noch dessen Gravitation nach, eröffnet aber einen neuen Zugang zu extremen Wellenvorgängen.
In Santa Barbara haben Physiker eine optische Falle in einen Resonator für Materiewellen verwandelt. Das Team um David Weld von der University of California nutzte dafür ultrakalte Lithiumatome, die sich als quantenmechanische Welle beschreiben lassen. Die Ergebnisse erschienen in Physical Review Letters.
Die Versuchsanordnung greift eine Idee aus der Optik auf. In einem gewöhnlichen Resonator stehen sich zwei Spiegel gegenüber und halten Licht zwischen ihren reflektierenden Flächen gefangen. Nur Wellenlängen, die zur Länge des Hohlraums passen, können sich besonders stabil ausbreiten. Wird einer der Spiegel rhythmisch bewegt, verändert sich der Abstand während des Umlaufs und damit auch die Bedingungen, unter denen sich die Lichtwelle im Resonator ausbreitet.
Bei extrem schneller Bewegung sagen theoretische Modelle eine starke Bündelung der Wellenenergie voraus. In bestimmten Beschreibungen entstehen dabei stabile und instabile Bahnen, die mathematisch den Eigenschaften eines Schwarzen-Loch- beziehungsweise Weißen-Loch-Ereignishorizonts entsprechen. Für gewöhnliche Spiegel wäre die erforderliche Beschleunigung praktisch unerreichbar: Die Bewegung müsste sich an der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts orientieren. Genau diese Hürde umgeht das Team, indem es die Rollen von Licht und Materie vertauscht.
Statt Licht zwischen festen Spiegeln einzuschließen, reflektieren zwei dünne Laserlichtflächen die Materiewelle. Die Lichtflächen wirken für die Atome wie bewegliche Wände. Eine davon lässt sich kontrolliert verschieben, während die andere ihre Position hält. Auf diese Weise entsteht ein Resonator, dessen Länge sich periodisch ändert, ohne dass ein massiver Spiegel mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegt werden müsste.
Im Zentrum des Aufbaus steht ein Bose-Einstein-Kondensat aus Lithium. In diesem extrem kalten Quantenzustand verhalten sich die Atome kollektiv und lassen sich durch eine gemeinsame Materiewellenfunktion beschreiben. Die Physiker bringen das Gas in ein optisches Gitter, dessen periodisches Lichtmuster die möglichen Bewegungszustände der Atome prägt. So entsteht ein Bereich, in dem sich die Materiewelle mit einer nahezu linearen Beziehung zwischen Impuls und Energie ausbreitet.
Diese annähernd lineare Dispersion ist für den Versuch entscheidend. Sie sorgt dafür, dass sich die Materiewelle über den untersuchten Bereich mit fast konstanter Gruppengeschwindigkeit bewegt und damit mathematisch einer Lichtwelle ähnelt. Die Atome bewegen sich dabei mit weniger als einem Meter pro Sekunde. Eine bewegte Lichtbarriere muss deshalb nur mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit relativ zur Materiewelle verschoben werden, um den gesuchten dynamischen Bereich zu erreichen.
Vier rote Laserstrahlen halten das Kondensat im optischen Gitter. Zwei weitere Lichtflächen begrenzen den Bereich, in dem die Atome hin und her laufen. Ein akusto-optischer Deflektor steuert die Position einer Barriere: Das Bauteil verändert die Richtung des Laserlichts über Schallwellen in einem Kristall und verschiebt dadurch die Lichtfläche kontrolliert. Die Forscher können so die Länge des Resonators zeitlich verändern, ohne einen mechanischen Spiegel zu bewegen.
Die Lichtbarrieren übernehmen damit zwei Aufgaben zugleich. Sie halten die Materiewelle im Versuch fest und geben ihr eine zeitlich veränderliche Begrenzung vor. Diese Kombination ist der Schlüssel, weil die gesuchte Dynamik nicht allein aus dem Vorhandensein eines Resonators entsteht. Erst die schnelle, gezielt abgestimmte Veränderung seiner Länge führt zu den ungewöhnlichen Wellenmustern.
Bleiben beide Lichtflächen ruhig, verteilt sich die Materiewelle über den gesamten Resonator. Das Team beobachtet dann keine vergleichbare Konzentration in einem einzelnen Bereich. Sobald eine Barriere jedoch nahe der Resonanzfrequenz schwingt, verändert sich das Muster deutlich: Aus der ausgedehnten Welle bildet sich ein kompakter Puls, der sich durch den Resonator bewegt.
Die Anregung liegt bei ungefähr 100 Hertz. Für die Auswertung nehmen die Physiker wiederholt Momentaufnahmen auf, jeweils abgestimmt auf den Zyklus der bewegten Barriere. Dadurch können sie verfolgen, wie sich die Welle von einer Aufnahme zur nächsten verschiebt. Materiewellenpulse, die zunächst an unterschiedlichen Stellen starten, bewegen sich nach wenigen Zyklen in Richtung derselben stabilen Bahn.
Neben dieser stabilen Bahn gibt es eine instabile. Kleine Abweichungen führen dort dazu, dass ein Puls nicht an seiner ursprünglichen Position bleibt, sondern sich von dieser Bahn entfernt. Die Gegenüberstellung beider Verhaltensweisen ist für die Analogie zum Ereignishorizont wichtig: In der mathematischen Beschreibung ähnelt die stabile Bahn dem Bereich, in den Licht am Schwarzen Loch hineingezogen wird, während die instabile Bahn die entgegengesetzte Grenzdynamik abbildet.
Die Bilder aus dem Versuch zeigen deshalb keine dunkle Kugel oder einen leuchtenden Ring. Sichtbar wird eine Materiewelle, die sich innerhalb der Lichtbarrieren zu einem schmalen, wandernden Paket verdichtet. Die räumliche Konzentration ist das experimentelle Signal, an dem die Forscher die vorhergesagte Dynamik erkennen. Der Vergleich mit einem Schwarzen Loch entsteht erst durch die mathematische Beschreibung der Bewegung über viele aufeinanderfolgende Zyklen.
Solch eine Anordnung kann mehr als einen einzelnen Materiewellenpuls erzeugen. Wird die bewegte Lichtfläche mit der doppelten Resonanzfrequenz angeregt, bilden sich zwei getrennte Pulse. Jeder von ihnen bewegt sich zu einer eigenen stabilen Bahn. Damit lässt sich die Zahl der stabilen und instabilen Punkte durch die Form der Anregung beeinflussen.
Besonders aufschlussreich ist ein weiterer Versuch mit einer abrupten Phasenverschiebung. Die Forscher verändern dabei den zeitlichen Startpunkt der Schwingung, ohne den gesamten Aufbau neu einzurichten. Dadurch tauschen die stabilen und instabilen Bahnen ihre Rollen. Ein Materiewellenpuls, der zuvor in eine Richtung lief, kehrt daraufhin seine Bewegungsrichtung um.
Diese Umkehr ist eine Art Zeitumkehr innerhalb der kontrollierten Dynamik des Resonators. Sie bedeutet nicht, dass die Zeit im Labor rückwärts läuft oder dass die Atome ihre gesamte Vorgeschichte rückgängig machen. Vielmehr verändert die Phasenverschiebung die Bedingungen, nach denen sich die Welle von einem Schwingungszyklus zum nächsten entwickelt. Damit können die Forscher gezielt zwischen unterschiedlichen Bewegungsregimen wechseln.
Zugleich zeigen die Experimente Abweichungen von der idealisierten Beschreibung für Photonen, denn die Materiewelle besitzt eine kleine Restkrümmung in ihrer Dispersionsrelation und verhält sich deshalb nicht über alle Impulse hinweg exakt wie Licht, worauf das Team zusätzliche dynamische Merkmale zurückführt. Für die Interpretation ist das wichtig, weil die Materiewellen-Analogie die gewünschte Physik zugänglich macht, aber nicht sämtliche Eigenschaften eines echten optischen Resonators übernimmt.
Ein Ereignishorizont markiert bei einem Schwarzen Loch die Grenze, hinter der keine Information mehr nach außen gelangen kann. Im Labor entsteht eine solche Grenze nicht durch Gravitation. Die Forscher bilden vielmehr die mathematische Struktur nach, die beschreibt, wie Wellen in einem zeitlich veränderten Resonator bestimmte Bahnen bevorzugen und andere verlassen. Der Versuch gehört damit zu den analogen Modellen, die einzelne Eigenschaften extremer astrophysikalischer Systeme in kontrollierbaren Laboren untersuchen.
Solche Analogexperimente sind besonders nützlich, wenn die zugrunde liegenden Gleichungen bekannt sind, die entsprechenden Bedingungen im Weltraum aber nicht direkt zugänglich sind. Ein Laboraufbau kann Parameter verändern, Anfangszustände wiederholen und die Entwicklung der Wellen beobachten. Bei einem echten Schwarzen Loch lassen sich die Vorgänge hinter dem Ereignishorizont dagegen nicht aus nächster Nähe vermessen. Die Analogie erlaubt deshalb gezielte Tests bestimmter theoretischer Zusammenhänge, ohne das kosmische Objekt selbst zu ersetzen.
Ein anderer Ansatz nutzt einen Quantentornado zur Simulation Schwarzer Löcher. Dort steht ein rotierendes Quantensystem im Mittelpunkt, während das neue Experiment die zeitliche Veränderung eines Resonators untersucht. Beide Methoden greifen somit unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf und machen sie im Labor messbar. Die Ergebnisse lassen sich nicht einfach gleichsetzen, ergänzen aber die Palette kontrollierter Analogmodelle.
Auch die Messung der Schwerkraft an ultrakalten Quantenteilchen zeigt, wie präzise sich Quantengase inzwischen für grundlegende Physikfragen einsetzen lassen. Dort dient ein Atomchip dazu, die Quantenphase fallender Atome zu untersuchen. Im aktuellen Resonatorversuch übernehmen Laserlichtflächen die Kontrolle über die Materiewelle. Die beiden Forschungswege nutzen ähnliche Werkzeuge, beantworten aber unterschiedliche Fragen.
Eine wichtige Grenze bleibt: Das Experiment weist weder Hawking-Strahlung nach noch erzeugt es ein echtes Schwarzes Loch. Es zeigt auch nicht, dass Materie in einem Gravitationsfeld dieselbe Dynamik durchläuft wie die Atome zwischen den Lichtbarrieren. Gemessen wird die Bewegung einer quantenmechanischen Welle in einem künstlich erzeugten Potential. Die Verbindung zur Relativitätstheorie betrifft die mathematische Form der Wellenausbreitung und die daraus entstehenden stabilen und instabilen Bahnen.
Neben der Grundlagenforschung interessiert die Physiker, ob sich das Prinzip später in optischen Materialien umsetzen lässt. Der Fachartikel nennt elektrooptische Materialien als möglichen Weg. In solchen Stoffen können elektrische Felder die optischen Eigenschaften verändern. Damit ließe sich eine zeitlich veränderliche Resonatorstruktur möglicherweise erzeugen, ohne eine Lichtbarriere oder einen mechanischen Spiegel physisch zu bewegen.
Eine denkbare Anwendung liegt in der Erzeugung und Kompression kurzer Lichtpulse. Werden Wellenenergie und zeitliche Struktur gezielt gebündelt, können optische Signale kürzer oder in ihrer Form verändert werden. Solche Verfahren wären für die Signalverarbeitung und optische Informationsübertragung interessant. Die aktuelle Arbeit demonstriert allerdings noch kein fertiges Bauteil und keinen einsatzfähigen Signalprozessor; sie liefert zunächst eine experimentelle Grundlage für die weitere Entwicklung.
Die Forscher wollen außerdem untersuchen, was passiert, wenn die Lichtbarriere nicht sinusförmig schwingt. Eine andere zeitliche Form kann zusätzliche stabile und instabile Bahnen erzeugen und dadurch weitere Dynamiken zugänglich machen. Als physikalisches Anwendungsfeld nennen die Autoren unter anderem die Beschleunigung kosmischer Strahlung an bewegten Magnetfeldern. Auch die spontane Erzeugung von Photonen aus dem Quantenfeld-Vakuum zählt zu den Phänomenen, die sich mit verwandten Resonatoranordnungen untersuchen lassen.
Für die nächsten Schritte kommt es darauf an, die kontrollierte Materiewellen-Anordnung auf weitere Anregungsformen und gekoppelte Resonatoren auszudehnen. Die Forscher müssen dabei prüfen, welche Effekte aus der gewünschten Analogie stammen und welche durch die nicht vollständig lineare Dispersion des Atomgases entstehen. Erst solche Vergleiche zeigen, wie weit sich die Methode auf Lichtwellen und elektrooptische Bauteile übertragen lässt.
J. L. Tanlimco et al., Matter-Wave Fabry-Pérot Cavity in the Ultrastrong Driving Regime, Physical Review Letters 137, 193404; doi:10.1103/44mq-jfp1
S. Curtis, Atomic Wave Simulates Black Hole Properties, Physics (American Physical Society), 19, 149
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