Biomoleküle machen grüne Laserpulse lahm
19. Januar 2006 Nichts ist schneller als das Licht im leeren Raum. In einer Sekunde legt es fast 300.000 Kilometer zurück. Stoffe wie Glas oder Wasser behindern indes die Ausbreitung von Lichtwellen und können deren Geschwindigkeit zum Teil um die Hälfte verringern. Will man das Licht noch weiter verlangsamen, muß man es durch Substanzen mit ungewöhnlichen Eigenschaften schicken.
Vor einigen Jahren gelang es amerikanischen Wissenschaftlern erstmals, einen Lichtstrahl in einer Wolke von Natriumatomen, die fast bis auf den absoluten Nullpunkt gekühlt waren, abzubremsen und für Sekundenbruchteile sogar zum Stehen zu bringen. Später haben Forscher das gleiche Kunststück in einem Festkörper vollbracht. Allerdings verlangten diese Experimente eine recht aufwendige Lasertechnik. Daß es auch deutlich einfacher geht, haben nun zwei Physiker von der University of Massachusetts in Boston gezeigt. Das Ungewöhnliche: Das bremsende Medium von Pengfei Wu und Devulapalli Rao besteht aus Biomolekülen.
Bakterienprotein als Lichtbremse
Die beiden Forscher verwendeten das Protein Bacteriorhodopsin, das natürlicherweise in den Membranen von Bakterien vorkommt. Sie betteten die purpurfarbenen Biomoleküle in einen Polymerfilm ein und fertigten daraus eine hundert Mikrometer dicke Probe. Das Protein erwies sich für die Versuche als besonders geeignet, geht es doch in einen angeregten Zustand über, der etwa eine Sekunde lang aufrechterhalten werden kann, wenn man das Biomolekül mit grünem Laserlicht bestrahlt. Üblicherweise dauern angeregte Zustände nur Bruchteile einer Sekunde.
Vor drei Jahren hatten Forscher um Robert Boyd von der University of Rochester in New York gezeigt, daß man mit langlebigen angeregten Zuständen die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls in einem Kristall drastisch verringern kann - und das bereits bei Raumtemperatur. Dazu muß man mit intensivem Laserlicht fast alle Teilchen in den angeregten Zustand befördern. Ist eine Sättigung erreicht, werden die nachkommenden Photonen nicht mehr absorbiert. Sie durchlaufen das Material, als wäre es transparent.
Allerdings hält diese Situation nur so lange an, wie die Teilchen in ihrem angeregten Zustand verharren. Danach kehren sie in den Grundzustand zurück und senden Photonen der ursprünglichen Wellenlänge aus, die die gerade austretende Lichtwelle verstärken. Allerdings kommt es wegen der zeitlichen Differenz zwischen Absorption und Emission zu einer Phasenverschiebung zwischen den einfallenden und den austretenden Photonen, was zu einer effektiven Verlangsamung des Lichtsignals führt. Boyd und seine Kollegen hatten die Gschwindigkeit des Lichts auf 60 Meter pro Sekunde verringert.
Stufenlose Temporegelung
Das Tempo haben Wu und Rao mit Bacteriorhodopsin nun aufgrund der extremen Lebensdauer des angeregten Zustands deutlich unterschritten. So betrug die Geschwindigkeit der austretenden Lichtpulse nur noch 0,1 Millimeter pro Sekunde, wie die Forscher in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ (Bd.95, Nr.253601) berichten.
Die Physiker fanden zudem heraus, daß sich die Geschwindigkeit gewissermaßen stufenlos regeln läßt - vom Schneckentempo zur Normalgeschwindigkeit des Lichts. Was man benötigt, ist ein blauer Laserstrahl, den man zusätzlich auf die Probe richtet. Das blaue Licht bewirkt, daß die angeregten Proteine schneller in den Grundzustand zurückkehren, wodurch die zeitliche Differenz zwischen Absorption und Emission und damit die Phasenverschiebung reduziert wird. Das Licht gewinnt wieder an Fahrt.
Text: F.A.Z., 20.01.2006, Nr. 17 / Seite 32
Bildmaterial: picture-alliance / dpa/dpaweb
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