"Es hat den Anschein, dass es sogar dem Licht schwerfällt, (das langsame Glas) zu durchdringen – so schwer, dass die Reise von eineinhalb Zentimetern durch dieses Material ungefähr eine Sekunde in Anspruch nimmt Sie haben die Welt gesehen, wie sie eine Sekunde vorher, in der Vergangenheit, existierte!"
Was in Bob Shaws Roman "Augen der Vergangenheit" von 1972 noch reine Sciencefiction war, haben Forscher 30 Jahre später in die Realität umgesetzt. Die Verlangsamung von Licht ist einer der erstaunlichsten Fortschritte der Optik. Dank neuer Verfahren, die sich von dieser völlig unerwartetet verfügbar gewordenen Technik inspirieren ließen, können wir schon in naher Zukunft die Kommunikationsnetze erheblich optimieren und neuartige photonische, also auf Lichtsignalen basierende Bauelemente mit geringem Energieverbrauch herstellen.
Die Grundidee mag zwar paradox erscheinen. Schließlich haben wir mühsam gelernt, in einer einzelnen optischen Faser tausende Gigabit pro Sekunde an Daten zu übertragen – und nun wollen wir das Licht verlangsamen, das diese Daten transportiert? Tatsächlich heißt das: Wir haben nun auch die Kontrolle über eine zuvor unzugängliche Variable der Lichtwelle erlangt, nämlich die Zeit. Dies ist für zahlreiche Anwendungen von größter Bedeutung. Denn indem wir ein Lichtsignal verlangsamen, können wir die darin enthaltene Information auch speichern – im Prinzip beliebig lange


Luc Thévenaz forscht seit
1988 an der École Polytechnique
Fédérale de Lausanne. Dort leitet
er derzeit die Arbeitsgruppe
Faseroptik. Die Forschungsinteressen
des Physikers umfassen
faseroptische Sensoren, die
nichtlineare Optik in Fasern,
langsames und schnelles Licht und die Laserspektroskopie in
Gasen. Einladungen zu Forschungsaufenthalten führten ihn an die
Stanford University, USA, nach Südkorea und nach Australien. Er
gründete die Firma Omnisens im schweizerischen Morges.
abrufen





NeuroKognition |
Landschaft & Oekologie |
bildungslücke |
braincast |
Fischblog |
Detritus |
Uhura Uraniae |
Sprachlog |
Con Text |
Robotergesetze |
Labyrinth des Schreibens |
Natur des Glaubens | 






1. Verlangsamung des Lichts erst seit 1999?
28.01.2012, Dr. Michael Komma"1999 gelang es einem Team um die Dänin Lene Hau von der Harvard University erstmals, die Gruppengeschwindigkeit von Licht zu verlangsamen."
Das soll wohl heißen "_entscheidend_ zu verlangsamen"? Sorry, aber solche Schlampereien sollten zumindest in einem Titelthema nicht passieren. Dass Licht durch ein Stück Glas oder einfach Luft verlangsamt wird (egal welche Geschwindigkeit) wußte die breite Öffentlichkeit schon vor 1999 - hoffentlich!
Ein Hinweis auf
http://news.harvard.edu/gazette/1999/02.18/light.html
wäre hilfreich. Dort steht:
"Such an exotic medium can be engineered to slow a light beam 20 million-fold from 186,282 miles a second to a pokey 38 miles an hour."
2. Licht-Turbo oder Veröffentlichungs-Turbo?
07.02.2012, Dr. Michael KommaBei näherem Hinsehen kamen mir noch mehr Bedenken. Es ist doch wohl eine Darstellung über dem Ort gemeint (oder wo könnte sich sonst ein Puls mit Gruppengeschwindigkeit bewegen)? Links steht aber "Frequenzbestandteile des Pulses". Sind also Schwingungen über der Zeit abgetragen? Nein, mit "Frequenz" ist die räumliche Frequenz (Wellenzahl) gemeint. Diese verkürzende Sprechweise mag im Labor der Optiker üblich sein, aber dann dürfte sich weiterhin keine "Einhüllende" direkt ergeben, sondern es müsste eine Welle mit einer zentralen Wellenzahl zu sehen sein (innerhalb einer gedachten Einhüllenden). Und weshalb stimmt in der Pulsmitte die Summe der Partialwellen nicht mit der gezeigten Resultierenden überein?
Des Rätsels Lösung: Der Autor hat eine zur Wellenzahl 0 symmetrische Gaußverteilung angenommen, aber nur Cosinuswellen für positive Wellenzahlen aufsummiert und das Ergebnis in verkleinertem Maßstab dargestellt (wie sich mit einem geeigneten Programm leicht nachvollziehen lässt).
Leider ist das nicht der einzige "Illustrationsfehler". Abbildung Seite 52:
a) Welche Phase ist nach oben aufgetragen? Oder sollte das der Brechungsindex sein?
b) Die Partialwellen der Abbildung von S. 51 werden einfach verschoben (zur Abwechslung über der Zeit). Keine Spur von Dispersion! Das Wesentliche wird also ausgeblendet.
c) Ganz abgesehen davon ist die Sprechweise "in der Zeit nach vorne/hinten" nicht ganz glücklich.
Auf Seite 53 haben dann auf einmal alle Partialwellen die gleiche Amplitude.
Nun ja, über die Qualität von Illustrationen kann man streiten. Aber auf Seite 51 steht rechts unten ein Satz, über den sich nicht streiten lässt:
"Auch wenn man Licht nicht als Welle auffasst, sondern als Teilchenstrahlung, lässt sich die Veränderlichkeit der Phasengeschwindigkeit in einem Medium verstehen. Die Atome absorbieren die Photonen, werden dadurch angeregt und strahlen ihrerseits wieder Photonen aus, dies allerdings zeitversetzt, was einer Verzögerung entspricht."
Weit außerhalb einer Resonanzlinie (und in diesem Kontext steht der Satz) gibt es keine Absorption von einzelnen Photonen, sondern die primäre Welle (also alle Photonen) erzeugen eine um 90 Grad phasenverschobene Streuwelle. Das lässt sich wohl auch quantisieren, aber nicht mit einem kurzen (und inkohärenten) "Stop and Go" einzelner Photonen.
Ein Lob der Langsamkeit für die Veröffentlichung weiterer Titelthemen!
3. Information mit Überlichtgeschwindigkeit transportieren?
16.03.2012, Fritz KronbergIm Folgenden des Artikels entnehme ich, daß die Gruppengeschwindigkeit eines Lichtpulses deutlich die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann, und daß das nicht pure Theorie ist, sondern gemessen wurde. Ich vermute des Weiteren, daß diese Messungen reproduzierbar sind, also nicht völlig zufallsabhängig. Wenn dem so ist, wird in einem solchen Versuch sehr wohl Information mit Überlichtgeschwindigkeit transportiert, denn in dem gemessenen Puls ist erstens die Information, daß er angekommen ist und zweitens die, wie lange er gebraucht hat (Letzteres indirekt) enthalten. Wenn solche Aktionen reproduzierbar möglich sind, muß es auch möglich sein, einen Text in digitalisierter Form in Überlichtgeschwindigkeit zu übermitteln, oder habe ich da an irgend einer Stelle den Artikel falsch verstanden?
4. Instantan?
21.03.2012, Dr. Michael KommaSowohl die klassische Beschreibung als auch die quantenmechanische verwenden das Lorentz-Modell, in dem das Coulombpotential durch das Potential des harmonischen Oszillators ersetzt wird. Bei der klassischen Beschreibung ist dabei die Auslenkung des Elektrons frequenzabhängig (Lorentzlinie). Die quantenmechanische Beschreibung macht weder über die "Auslenkung eines Elektrons" noch über den zeitlichen Ablauf des Vorgangs eine Aussage, sondern nur über Wahrscheinlichkeiten (Streuquerschnitte). Die Aussage "fällt das Atom annähernd instantan wieder zurück in seinen Grundzustand und sendet dabei ein Photon aus" macht also keinen Sinn. Wie lange dauert "annähernd instantan" z.B. beim Durchgang von Licht durch Luft? Etwas ernsthafter und "in groben Zügen":
Bei der quantentheoretischen Herleitung der Dispersionsformel (genauer des Streuquerschnitts) wird der Hamiltonoperator für die Wechselwirkung der Strahlung mit dem Elektron in zwei Anteile zerlegt: Erste Ordnung (linear im Vektorpotential A) und zweite Ordnung (quadratisch in A). Der Term zweiter Ordnung ist dispersionsfrei (Thomsonstreuung, "Resonanzfrequenz" des freien Elektrons gleich 0). Beim Term erster Ordnung muss über alle Zwischenzustände (bis ins Kontinuum) summiert werden. Dabei handelt es sich um virtuelle Zwischenzustände ohne Energieerhaltung.
Aber es kommt noch schlimmer: Bei der Summation über die Zwischenzustände müssen auch Zustände berücksichtigt werden, in denen das "emittierte" Photon schon im Anfangszustand vorhanden ist und das "ankommende" Photon erst beim Übergang in den Endzustand absorbiert wird. Selbst wenn man die Reihenfolge, in der die Operatoren der Quantenmechanik angewendet werden, mit einer zeitlichen Abfolge verwechselt, mittelt sich "annähernd instantan" also heraus zu einer "simultanen Absorption und Emission".
5. Vorsicht mit Kramers-Kronig-Relationen in der Optik
21.03.2012, Dr. Lars HankeTatsächlich sind die Voraussetzungen für KK auch gar nicht gegeben. KK handelt von einer komplexen Funktion. Da auch nach Diagonalisieren der Wechselwirkung die Anzahl der Zustände erhalten bleiben, gibt es i.A. viele Äste der Dispersionsrelation.
Natürlich gibt es einen Zusammenhang. Innerhalb der Resonanzen finden die Dispersionssprünge statt, d.h. die Gruppengeschwindigkeit nimmt ab. Je länger eine optische Anregung im Festkörper verbleibt, desto mehr Zeit hat sie, über das vibronische System in einen Zustand zu streuen, der optisch nicht mehr auskoppelt, also absorbiert ist. Aber die Streurate sollte man nicht aus der Dispersion ableiten wollen.
Für einen direkten Halbleiter habe ich diese Zusammenhänge in meiner Dissertation (ISBN 3-8265-7269-6) parameterfrei ausgewertet und experimentell überprüft. Man sollte sich für mikroskopische Beschreibungen vor Lorentzkurven und phänomenologischen Dämpfungen hüten - wussten übrigens schon Kramers und Heisenberg 1924.