Natriumdampf als Filter könnte biologische Untersuchungen erleichtern
„Wir haben festgestellt, dass sich eine Zelle mit heißem Natriumdampf dafür viel besser eignet als kommerzielle Filter“, sagt Ilja Gerhardt. Der 155 Grad heiße Natriumdampf filtert nämlich sehr präzise nur das orange-gelbe Licht aus dem Strahl, während kommerzielle Filter immer auch etwas Licht seitlich davon abzwacken. Die Leuchtpunkte der Moleküle sind durch den Natriumdampf-Filter daher viel deutlicher zu erkennen als durch einen kommerziellen. „Unsere Entdeckung ist etwa für biologische Experimente sehr relevant“, sagt Ilja Gerhardt. Biologen untersuchen die Prozesse in Zellen oft, indem sie Proteine mit leuchtenden Anhängseln versehen und diese mit Laserstrahlen anregen. Mit einem präziseren Filter könnten ihre Untersuchungen aussagekräftiger werden, weil sie die Signale, auf die sie es abgesehen haben, besser erkennen können.
Diese praktische Erkenntnis für Experimentatoren, die mit Lasern arbeiten, beruht jedoch nur auf einer der möglichen Varianten im optischen Zusammenspiel von Molekülen und Atomen dar. Eine Verständigung zwischen Molekülen und Atomen ist mit diesem Experiment noch nicht möglich, weil die Natriumatome für das rote Licht der Moleküle blind, oder um im Bild zu bleiben, taub sind. Doch wenn Moleküle orange-gelbes Licht aufnehmen können, das Natriumatome verstehen, können sie dieses auch abgeben – die Forscher müssen ihr Experiment nur ein wenig modifizieren. Zu diesem Zweck wählten sie unter den Molekülen in der tiefgekühlten Lösungsmittel-Matrix zunächst eines aus, das sich in der photonischen Sprache des Natriums äußert.
Ein umgepolter Natrium-Filter identifiziert die Farbe der Molekülblitze
Um nun das Licht herauszufiltern, welches genau mit der Natriumlinie übereinstimmt, waehlten die Stuttgarter Forscher einen Trick: Hier hilft wiederum die Natriumdampf-Zelle. Deren Filterwirkung lässt sich mit einem Magnetfeld nämlich umpolen. Dann lässt sie nur noch Licht der orange-gelben Farbe durch, die von den Natriumatomen gewöhnlich absorbiert wird. Die Forscher schickten die Blitze eines Moleküls also durch die umgepolte Natriumdampf-Zelle auf einen Fotodetektor, einem Zähler für Photonen. Wenn dieser nun anschlug, konnten sie sicher sein, dass sich das Molekül in Natriumsprache geäußert hatte.
„Mit dem Molekül haben wir also eine brillante Einzelphotonen-Quelle gefunden, deren Licht wir auf die Absorption von Atomen einstellen können“, sagt Ilja Gerhardt. Das könnte für die Verarbeitung von Quanteninformation hilfreich sein, weil sich so die Information flüchtiger Photonen in Atome schreiben lässt.
Natriumdampf als Zwischenspeicher für einzelne Photonen
Schließlich wiesen die Stuttgarter Forscher noch nach, dass die Natriumdampf-Zelle das Licht eines Moleküls zwischenspeichern kann. Das heißt, die Zelle bremste den Strom der einzelnen Photonen merklich. Das beobachteten die Forscher, als sie ein Molekül orange-gelbes Licht abgeben ließen, das sehr dicht am Farbton des Natrium-Lichts liegt, aber doch noch ein bisschen davon abweicht. So konnte es die Natriumdampf-Zelle passieren. Mit einer ausgeklügelten Stoppuhr für Photonen wiesen die Wissenschaftler nach, dass ein Photon erst mit sechs Nanosekunden Verzögerung aus der Natriumdampf-Zelle heraus kommt.
Der Zwischenspeicher für Photonen könnte ganz ähnlich wie Zwischenspeicher der heutigen Elektronik für die Verarbeitung von Quanteninformation etwa mit einem Quantencomputer nützlich sein. Bis es so weit ist, müssen Physiker jedoch noch viele grundlegende und praktische Probleme in den Griff bekommen. Auch die Kommunikation zwischen Molekülen und Atomen muss noch besser werden. Doch immerhin: Der Dialog ist jetzt eröffnet. (PH)
->Quelle(n): mpg.de; fkf.mpg.de; uni-stuttgart.de; gerhardt.ch;