Forschung Experimente enthüllen „kritisches Verhalten“ von Licht

27. August 2026

In der aktuellen Studie wurde Licht in einem mit einer Farbstofflösung gefüllten optischen Mikroresonator gefangen. Dazu war ein Resonatorspiegel per Laser im Nanometerbereich so strukturiert worden, dass ein kastenförmiger Container entstand – eine Art verspiegelte Box, in der die Photonen gespeichert wurden. Dort gelangten sie durch Wechselwirkung mit Farbstoffmolekülen ins thermische Gleichgewicht und konnten effektiv so weit abgekühlt werden, bis die Quantenphase der Kondensation gerade einsetzte. In diesem Temperaturbereich wurde die Winkelverteilung des aus der Spiegelbox austretenden Lichts mit einer Kamera gemessen. Die Wissenschaftler ermittelten daraus die Korrelationslänge und den zugehörigen kritischen Exponenten. Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein extrem kalter Zustand von Materie, der nicht nur bei Licht, sondern auch bei atomaren Gasen auftritt. „Allerdings gelingt die Kondensation nur bei Licht nahezu wechselwirkungsfrei, da Photonen durch den Kontakt mit Farbstoffmolekülen und nicht wie Atome durch gegenseitige Stöße ins Gleichgewicht gelangen“, so Prof. Schmitt.

Wie der Wissenschaftler erläutert, ist das Phänomen des „kritischen Verhaltens“ für viele Substanzen bekannt. So kann zum Beispiel auch Wasser an seinem kritischen Punkt durch die Bildung von ausgedehnten Dichtefluktuationen plötzlich milchig-trüb erscheinen, obwohl es zuvor völlig klar war. Ein solches Verhalten konnte bei Photonen jedoch in der Vergangenheit noch nie beobachtet oder vermessen werden. Nun zeigen die aktuellen Untersuchungen, dass Photonengase als eine eigene Universalitätsklasse physikalischer Systeme in der Natur zu sehen sind. „Unsere Forschungsergebnisse schließen eine wesentliche Lücke in der Physik der Phasenübergänge und haben das Potenzial, spannende neue Forschungsansätze, unter anderem zur Physik von Systemen fernab des thermischen Gleichgewichts und zu künftigen Anwendungen, zu eröffnen“, betont der Experimentalphysiker, der zunächst an der Universität Bonn tätig war und seit 2025 am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg zu optischen Quantensystemen forscht.

Dem Forschungsteam gehörten neben den Wissenschaftlern aus Heidelberg auch Forscherinnen und Forscher des Instituts für Angewandte Physik der Universität Bonn sowie des Instituto de Física der Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) an. Die Arbeiten waren Teil des Exzellenzclusters STRUCTURES an der Universität Heidelberg und des Sonderforschungsbereichs/Transregio OSCAR, der von der Universität Bonn mitgetragen wird. Sie wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Europäischen Union und der UNAM gefördert. Die Forschungsergebnisse sind in „Science Advances“ erschienen.