Um ein Polariton auf der Basis eines Excitons herzustellen, müssen Wissenschaftler erst einmal dieses Elektron-Loch-Paar kreieren. Dafür schicken sie einen Lichtpuls auf eine dünne Halbleiterschicht. Excitone sind sehr kurzlebig, schon nach wenigen Augenblicken rekombinieren das Elektron und das dazugehörige Loch wieder und emittieren ein Photon. Wenn der Halbleiter aber von spiegelartigen Materialien umgeben ist, die eine stark reflektierende Höhlung genau der richtigen Größe bieten, bleibt das Photon praktisch gefangen und erzeugt ein neues Exciton – und das ganze Spiel beginnt von vorn. Bei diesem ständigen Wechselspiel zwischen einem Photon und einem Exciton entsteht dann ein Polariton – "ein neues Teilchen, das halb Licht, halb Materie ist", erklärt Jeremy Baumberg von der University of Southampton in Großbritannien.

Es gab einige Diskussionen über die Natur von Polaritonen und ob sie tatsächlich als neue Teilchen agieren, die sich deutlich von ihren Komponenten unterscheiden lassen. Manche Theoretiker zum Beispiel vermuten, dass sich Polaritonen wie Bosonen verhalten müssten. Dann sollten sie auch die Fähigkeit besitzen, andere Teilchen in ihren Quantenzustand zu versetzen, so wie das Photonen im Laser erreichen. Baumberg und seine Kollegen konnten genau diese Annahme nun für Polaritonen belegen. Ihrer Aussage zufolge ist es der erste Nachweis von Bosonen-artigen Eigenschaften für Teilchen in einem Festkörper (Physical Review Letters vom 10. Februar 2000).

Die Arbeitsgruppe konnte den Impuls der Polaritonen kontrollieren, indem sie den Winkel der Laserstrahlen in Bezug auf den Halbleiterfilm veränderte. In ihren Experimenten setzten die Wissenschaftler zwei Laserstrahlen nacheinander ein: Mit dem ersten, einem starken Pulsstrahl unter einem bestimmten Braggschen Winkel, erzeugten sie eine Reihe von Polaritonen mit einem gewissen Impuls. Nach fünf Pikosekunden schickten sie einen schwächeren Strahl hinterher, der direkt senkrecht auf den Film traf und einige mehr Polaritonen induzierte, die jedoch keinen Impuls besaßen.

Die Forscher stellten fest, dass der schwächere Laserpuls bis zum 50fachen verstärkt wurde, weil die impulsfreien Polaritonen so viele ihrer Verwandten mit Impuls in den niedrigeren Energiezustand versetzten, bevor sie alle in einem Lichtblitz zerfielen. "Man kontrolliert eine Riesenmenge dieser Polaritonen mit ein paar ganz wenigen", erzählt Baumberg. Die Wissenschaftler nennen den Prozess 'stimulierte Streuung', in Anlehnung an den Begriff 'stimulierte Emission', der in einem Laser abläuft.

Wenn Polaritonen wirklich Bosonen sind, dann sollten sie auch ein dem Bose-Einstein-Kondensat entsprechendes Gegenstück bilden können. In Bose-Einstein-Kondensaten lagern sich Teilchen massenhaft im Grundzustand zusammen und verschmelzen zu einer einzigen Quanteneinheit. Ein solcher Zustand wäre vielleicht das erste Bose-Einstein-Kondensat in einem Festkörper, obwohl es bereits andere, heftig diskutierte Experimente gibt, die ein solche darstellen sollen, aber nur aus Excitonen bestehen. Und vergleichbar mit dem Atom-Laser, der letztendlich aus dem Bose-Einstein-Kondensat entstand, hoffen die Wissenschaftler nun auch auf einen damit vergleichbaren Laser auf der Basis von Bosonen. Dieser könnte dann sehr viel schneller an- und abgeschaltet werden als konventionelle Halbleiter-Laser.

David Citrin von der Washington State University in Pullman sieht in der Arbeit den bei weitem deutlichsten Hinweis auf die Bosonen-Eigenschaften der Polaritonen. Er unterstreicht besonders das Ergebnis, dass der Verstärkungsgrad exponentiell von der Intensität des Pumpstrahls abhängt. Eine solche Beziehung wurde für die stimulierte Streuung erwartet, ließ sich aber mit wirklichkeitsnäheren Erklärungen des Effekts nicht vereinbaren. Ted Norris von der University of Michigan in Ann Arbor stimmt ihm zu, bemerkt aber, dass noch deutliche technische Hindernisse zu überwinden sind, bevor aus dem Verstärker der Arbeitsgruppe wirklich ein einsatzfähiger Laser konstruiert werden kann. Das ist für ihn "die große Herausforderung für die Zukunft".

Siehe auch

• Spektrum Ticker vom 5.5.1998
  "Wenn sich Materie als Welle zeigt"
  (nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
  
• Spektrum der Wissenschaft 11/96, Seite 16
  "Vom Bose-Einstein-Kondensat zum Atomlaser"
  (nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)