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Bose-Einstein-Kondensation von Photonen








Bild der durch einen Resonatorspiegel transmittierten Strahlung unterhalb (linkes Bild) sowie oberhalb (rechtes Bild)
der kritischen Photonenzahl, wobei für den letzteren Fall eine makroskopisch besetzte Grundmode zu erkennen ist.
 

 


 
Spektrale Intensitätsverteilung des Lichts aus dem Farbstoff-gefüllten optischen Mikroresonator für unterschiedliche
Pumpleistungen. Auf einem spektral breiten thermischen Untergrund wird oberhalb der kritischen Leistung ein
scharfes Maximum, das Bose-Einstein-Kondensat, bei der Position der Abschneidefrequenz beobachtet.



Bose-Einstein-Kondensation, die makroskopische Grundzustandsbesetzung eines Systems bosonischer Teilchen unterhalb einer kritischen Temperatur, wurde für ein atomares Gas erstmals im Jahr 1995 beobachtet. Photonen, die quantisierten Teilchen des Lichts, zeigen üblicherweise hingegen keine Bose-Einstein-Kondensation, da für die Plancksche Schwarzkörperstrahlung die Teilchenzahl nicht erhalten ist und die Photonen bei kleinen Temperaturen in den Wänden des Systems verschwinden. Wir untersuchen die Thermodynamik eines zweidimensionalen Photonengases in einem mit Farbstofflösung gefüllten optischen Mikroresonator. Dabei bewirken die Resonatorspiegel sowohl ein einschließendes Fallenpotenzial als auch eine nichtverschwindende effektive Masse des Photons, was dazu führt, dass das System formal äquivalent zu einem harmonisch eingeschlossenen zweidimensionalen Gas aus massiven Teilchen ist. Durch wiederholte Absorptions- und Emissionsprozesse an den Farbstoffmolekülen thermalisiert das Photonengas mit der Temperatur der Farbstofflösung, die bei Raumtemperatur liegt. Uns gelang die Beobachtung eines Bose-Einstein-Kondensats von Photonen in dem farbstoffgefüllten optischen Mikroresonator. Die bisher beobachteten Eigenschaften des Photonen-Bose-Einstein-Kondensats ähneln in vielerlei Hinsicht dem eines atomaren Bose-Einstein-Kondensats, wobei die um etwa 10 Größenordnungen kleinere effektive Photonenmasse Übergangstemperaturen bei Raumtemperatur ermöglicht.
 
Wir haben die Teilenzahlstatistik des im Farbstoff-Mikroresonatorsystem erzeugten Photonenkondensats bestimmt. Für kleine Photonenzahlen werden dabei für den kondensierten Zustand ungewöhnlich hohe Werte der normierten Intensitätskorrelation von bis zu g(2)(0) =1,7 beobachtet, was sich erheblich von dem bei üblichen Bose-Einstein-Kondensaten  oder auch bei Lasern beobachteten Wert g(2)(0)=1 unterscheidet. Grund für diese erhöhten Schwankungen der Teilchenzahl ist, dass das Photonenkondensat effektiv Teilchen mit den photo-anregbaren Farbstoffmolekülen austauschen kann, was gut im Bild des großkanonischen Ensembles beschrieben werden kann. Die Messungen stellen eine direkte Evidenz für ein großkanonisches Bose-Einstein-Kondensat dar. Für hohe Teilchenzahlen im Kondensat, oder kleine Molekülzahlen, wird wieder der übliche Wert g(2)(0)=1 beobachtet, was dann einem kanonische Ensemble entspricht.
 
In anderen Arbeiten haben wir die Wärmekapazität von kondensiertem Licht vermessen. Auch gelang uns kürzlich die Realisierung periodischer Gitterpotentiale für das im Mikroresonator eingeschlossene Licht.
 
 
 
 
molekulare Reservoire_photon.png

 

Farbstoffmoleküle dienen als Wärmebad und Teilchenreservoir für das Photonengas (links). Wenn die effektive Größe des Reservoirs hoch genug ist, treten großkanonische Fluktuationen der Teilchenzahl im Kondensat auf, welche für ein kleines Reservoir hingegen nicht beobachtet werden. Die rechte Teilabbildung zeigt Meßdaten für g(2)(0) für unterschiedliche effektive Reservoirgrößen und Kondensatsanteile.

 

 

Einige Referenzen:

Bose-Einstein condensation of photons in an optical microcavity
J. Klärs, J. Schmitt, F. Vewinger und M. Weitz
Nature 468, 545 (2010)

Thermalization of a two-dimensional photonic gas in a ‘white wall’ photon box
J. Klärs, F. Vewinger und M. Weitz
Nature Phys. 6, 512 (2010)

Statistical physics of Bose-Einstein-condensed light in a dye microcavity
J. Klärs, J. Schmitt, T. Damm, F. Vewinger und M. Weitz
Phys. Rev. Lett. 108, 160403 (2012),  arXiv:1201.0444

Observation of grand-canonical number statistics in a photon Bose-Einstein condensate
J. Schmitt, T. Damm, D. Dung, F. Vewinger, J. Klärs und M. Weitz
Phys. Rev. Lett. 112, 030401(2014), arXiv:1311.6634, Physics Viewpoint
 

Thermalization kinetics of light: From laser dynamics to equilibrium condensation of photons
J. Schmitt, T. Damm, D. Dung, F. Vewinger, J. Klaers und M. Weitz
Phys. Rev. A 92, 011602 (2015), arXiv: 1410.5713

J. Schmitt, T. Damm, D. Dung, C. Wahl, F. Vewinger, J. Klaers und M. Weitz
Phys. Rev. Lett. 116, 033604 (2016), arXiv: 1512.07148
T. Damm, J. Schmitt, Q. Liang, D, Dung, F. Vewinger, M. Weitz und J. Klaers
Nature Communications 7, 11340 (2016), arXiv: 1604.08747

Einführender Artikel, gut für Studenten geeignet:
Bose-Einstein-Kondensat aus Licht
J. Klärs, J. Schmitt, F. Vewinger und M. Weitz
Phys. Unserer Zeit 42, 58 (2011)



 
Letzte Aktualisierung am 24.01.2017

 

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