Das Team von Forschenden der Universität Bonn, der Universität Heidelberg und der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko hat das kritische Verhalten von (Photonen) in der Nähe des Phasenübergangs zu einem Bose-Einstein Kondensat untersucht. Dieses kritische Verhalten, bei dem thermodynamische Größen in der Nähe von Phasenübergängen divergieren, war zuvor noch nie in Photonengasen beobachtet worden. Für den experimentelle Nachweis bestimmten wir räumliche Korrelationen in einem nahezu wechselwirkungsfreien 2D Photonengas kurz vor der Kondensation. Daraus ermittelten wir den kritischen Exponenten – eine Größe, die beschreibt, wie empfindlich die Ausdehnung dieser Korrelationen auf Temperaturänderungen am Phasenübergang reagiert.
Das Photonengas wir dabei in einem optischen Mikroresonator erzeugt, der mit einer Farbstofflösung gefüllt war. Durch Absorptions- und Emissionsprozesse beim Kontakt der Lichtteilchen mit den Farbstoffmolekülen kühlten die Photonen effektiv ab (sie „thermalisierten“), bis der Quantenphasenübergang zur Kondensation einsetzte. Einer der Resonatorspiegel war zuvor mittels Laserlithografie im Nanometerbereich strukturiert worden, um ein kastenförmiges Potenzial, also eine Falle für die Photonen, zu erzeugen. Anschließend wurde die Winkelverteilung des emittierten Lichts mit einer Kamera gemessen und die räumlichen Korrelationen bestimmt.
Mit diesem Experiment konnte erstmals gezeigt werden, dass Photonengase eine eigene, übergeordnete Universalitätsklasse physikalischer Systeme in der Natur darstellen, in der Nähe eines Phasenübergangs divergiert die Korrelationslänge mit einem eigenen Exponenten. Das Forschungsergebnis schließt eine wichtige Lücke in der Physik der Phasenübergänge und könnte neue Wege für die Grundlagenforschung an Systemen fern des thermischen Gleichgewichts sowie für zukünftige optische und technologische Anwendungen eröffnen.
Das Team besteht aus Forschenden des Instituts für Angewandte Physik der Universität Bonn (Leon Kleebank, Frank Vewinger, Martin Weitz), des Kirchhoff-Instituts für Physik der Universität Heidelberg (Julian Schmitt) sowie des Physikalischen Instituts der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko (Arturo Camacho-Guardian, Victor Romero-Rochín, Rosario Paredes).
