Der diesjährige Nobelpreis für Physik ging an zwei Quantenoptiker, den Franzosen Serge Haroche vom College de France in Paris und David Wineland vom National Institute of Standards and Technology in Boulder (US-Bundesstaat Colorado). Es ist schon schwierig genug, Quantenphysik zu erklären. Genauso schwierig ist es, darzulegen, worum es bei der Quantenoptik geht, die auch Quantenelektronik genannt wird.
Licht hat die merkwürdige Eigenschaft, einmal Welle, ein andermal Teilchen zu sein. Die Welleneigenschaft des Lichtes zeigt sich beispielsweise an den Regenbogenfarben. Jede Lichtwellenlänge wird an durchsichtigen Materialen unterschiedlich gebrochen. Blaues Licht wird beim Übergang in Wasser stärker gebrochen als rotes Licht. Da weißes Licht aus vielen Wellenlängen besteht, entstehen bei der Lichtbrechung an Ölflecken oder in Regentropfen die bekannten Regenbogenfarben.
Bei entsprechenden experimentellen Anordnungen zeigt das Licht nicht seine Wellennatur, sondern kommt als Schwall kleiner Teilchen, den „Photonen“ daher. Es ist schon lange bekannt, dass diese Photonen mit Materieteilchen reagieren können, und damit beschäftigt sich die Quantenoptik. Eine elektrisch negativ geladene Zinkplatte verliert ihre Ladung, wenn man sie mit Ultraviolettlicht bestrahlt. Das wird als „photoelektrischer Effekt“ bezeichnet. Bereits im 19. Jahrhundert hatte man entdeckt, dass der Photoeffekt auch bei anderen Materialien auftritt, und zwar nur bei Verwendung von kurzwelligem Licht. Die Erklärung lieferte 1905 Albert Einstein. Licht ist nicht nur eine Welle, wie man lange vermutete, sondern besteht aus Photonen, wobei die Energie dieser Photonen der Frequenz des Lichtes entspricht. Je kurzwelliger das Licht (beispielsweise UV-Strahlung) ist, desto mehr Energie haben die Lichtteilchen. Für ein Elektron an der Oberfläche einer Zinkplatte ist eine bestimmte Mindestenergie nötig, um es aus dem Metall herauszuschießen. Einstein erhielt für seine Theorie der Photonen den Nobelpreis. Der photoelektrische Effekt hat heute eine enorme Bedeutung. So dienen beispielsweise große Photodioden (Solarzellen) der Umwandlung der Strahlungsenergie des Sonnenlichts in elektrische Energie.
Teilchen können sich sehr schnell bewegen, bei Raumtemperatur kommen Luftmoleküle beispielsweise mit dreifacher Schallgeschwindigkeit daher. Den beiden diesjährigen Nobelpreisträgern ist das Kunststück gelungen, kleinste Teilchen durch Kühlung stillzulegen, sodass ihre Quantenzustände und ihre Reaktion mit Licht unabhängig von jeder Umgebung manipuliert werden können. Damit sind völlig neue Beobachtungsmöglichkeiten erschlossen worden.
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Einsteins Photonen
Rudolf Oeller:
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