Lichtteilchen zeigen eine einzigartige Tendenz zum Kollektivismus: Wenn sie die Wahl zwischen zwei Zuständen haben, neigen sie dazu, den Zustand zu wählen, den die Mehrheit ihrer Begleitteilchen bereits angenommen hat. Dieses kollektive Verhalten zeigt sich jedoch nur, wenn eine große Anzahl von Photonen am selben Ort zusammentrifft. Diese in Physical Review Letters veröffentlichte und von Professor Martin Weitz vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn geleitete Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung ultraintensiver Laserquellen und anderer Geräte.

In der Physik werden Teilchen in zwei Hauptkategorien unterteilt: Fermionen und Bosonen. Fermionen, wie etwa Elektronen um den Atomkern, besitzen eine starke Individualität und können auf kleinem Raum nicht denselben Zustand annehmen. Bosonen, wie etwa Photonen, neigen dazu, kollektiv zu agieren und denselben Zustand anzunehmen. Werden genügend Photonen gekühlt und auf kleinem Raum eingeschlossen, verschmelzen sie zu einem riesigen „Superphoton“. Das Forschungsteam von Professor Weitz fand durch Experimente heraus, dass bei einer geringen Anzahl von Photonen deren Wahl zwischen zwei leicht unterschiedlichen Energieniveaus (oder Farben) ziemlich zufällig ist. Mit zunehmender Anzahl von Photonen neigen die neu hinzukommenden Photonen jedoch dazu, Energieniveaus zu wählen, auf denen bereits mehr Photonen vorhanden sind. Dieser Trend ist besonders deutlich, wenn die Anzahl der Photonen Dutzende erreicht. Wenn ein bestimmtes Energieniveau Hunderte von Photonen ansammelt, wird das andere Energieniveau fast nicht mehr gewählt.

Diese Entdeckung enthüllt nicht nur das kollektive Verhalten von Photonen, sondern liefert auch neue Ideen für die Entwicklung leistungsstärkerer Laser. Theoretisch lässt sich die Energie des Lasers durch die Kombination mehrerer Strahlungsquellen und die Ausnutzung der kollektiven Tendenz der Photonen steigern. Professor Weisz wies darauf hin, dass hierfür alle Strahlungsquellen „in Phase“ sein müssen, d. h. ihre Wellen müssen stets vollständig synchronisiert sein. Obwohl es eine Herausforderung ist, die von mehreren Laserstrahlen emittierten Lichtwellen präzise auszurichten, zeigen die Forschungsergebnisse, dass dieses Ziel durch die Ausnutzung des kollektiven Verhaltens der Photonen erreicht werden kann.

Weitere Informationen: Christian Kurtscheid et al., „Thermodynamik und Zustandsvorbereitung in einem Zweizustandssystem des Lichts“, Physical Review Letters (2025). Zeitschrifteninformationen: Physical Review Letters, arXiv