Bonner Physiker stellen neuartiges Gas aus Licht her

01.06.2010: Physiker der Universität Bonn haben eine Art Gas aus Lichtteilchen hergestellt, das seine Farbe mit der Temperatur ändert, ohne dass dabei die Lichtmenge variiert. Das Funktionsprinzip lässt sich eventuell nutzen, um Sonnenlicht unabhängig vom Sonnenstand auf einen festen Punkt zu bündeln. So ließe sich die Ausbeute von Solarzellen erhöhen, ohne dass man sie mittels Motoren zur Sonne ausrichten müsste.

Die Forscher nutzten in ihrem Experiment gewölbte Spiegel mit extrem hohem Reflexionsvermögen. Sie richteten die Spiegelflächen so aus, dass sie zueinander zeigten. So konnten sie einen Lichtstrahl ständig zwischen ihnen hin- und her werfen.

In dem Zwischenraum zwischen Reflexionsflächen befand sich ein Farbstoff. Auf ihrer Reise kollidierten die eingesperrten Photonen immer wieder mit den Farbstoff-Molekülen. "Unter diesen Umständen konnten wir ein neuartiges Photonengas mit ungewöhnlichen Eigenschaften erzeugen", erklärt der Bonner Laserphysiker Professor Dr. Martin Weitz.

Die Farbe dieses Gases ändert sich mit der Umgebungstemperatur. Ähnliches kennt man vom Wolfram-Wendel einer Glühbirne: Bei hohen Temperaturen leuchtet die Birne weiß. Reduziert man jedoch mit einem Dimmer die Stromstärke und senkt dadurch die Temperatur, verändert sich die Farbe ins Rötliche. Gleichzeitig wird die Birne dunkler. Bei noch niedrigeren Temperaturen leuchtet sie dann plötzlich gar nicht mehr.

"Bei unserem Experiment ist das anders", erklärt Weitz: "Die Lichtintensität - also die Zahl der Photonen - bleibt immer gleich. Das ist ähnlich, als würden sie eine Glas Luft in den Kühlschrank stellen: Die Luftmoleküle werden zwar ‚kühler' und damit langsamer, ihre Menge bleibt aber konstant. In ähnlicher Weise kühlen wir die Lichtteilchen."

"Lichtkonzentrat" soll Ausbeute von Solarzellen erhöhen

Die von den Bonner Forschern entwickelte Methode lässt sich eventuell nutzen, um Sonnenlicht wie mit einem Brennglas zu konzentrieren. "Stellen Sie sich ein mit Licht gefülltes Sektglas vor, das nach unten hin spitz zuläuft", sagt Weitz. "Je kälter das Licht ist, desto weiter unten kommt es in diesem Sektglas zu liegen und desto konzentrierter wird es." Dieser Effekt ist unabhängig von der Richtung, aus der das Licht einfällt: Die Konzentration erfolgt immer am selben Ort. Eine Linse hingegen muss ständig nach dem Stand der Sonne ausgerichtet werden, damit ihr Brennpunkt an derselben Stelle bleibt.

Indem man das Licht kühlt und so konzentriert, könnte man also eventuell die Ausbeute von Sonnenkollektoren und Solarzellen erhöhen, ohne dazu eine komplizierte "Nachführmechanik" zu benötigen. "Außerdem funktioniert unsere Methode auch bei diffusem Licht, also etwa bei bewölktem Himmel", betont Weitz.

Kühlt man sehr viele Photonen stark herunter, kann man die Lichtteilchen eventuell sogar so stark konzentrieren, dass sie eine Art Klumpen bilden. Physiker sprechen von einem Bose-Einstein-Kondensat. Mit diesem "Photonen-Klumpen" ließen sich möglicherweise UV-Lichtquellen konstruieren, die ähnliche Eigenschaften wie Laserlicht aufweisen. Derartige UV-Quellen würden sich beispielsweise zur Herstellung von Computerchips mit besonders feinen Strukturen eignen.

Originalveröffentlichung: Jan Klaers, Frank Vewinger & Martin Weitz; "Thermalization of a two-dimensional photonic gas in a ‘white wall’ photon box"; Nature Physics; published online: 30 May 2010