Halbleiter-Material: Abstoßung zwischen Lichtteilchen

25.02.2019

Von:  Oliver Morsch

Lichtteilchen «spüren» einander normalerweise nicht, da zwischen ihnen keine Wechselwirkung besteht. ETH-Forschern ist es nun gelungen, Photonen in einem Halbleitermaterial so zu beeinflussen, dass sie einander dennoch abstossen.

Zwei Lichtstrahlen, die einander kreuzen, lenken sich gegenseitig nicht ab. Das liegt daran, dass es zwischen Lichtteilchen oder Photonen nach den Gesetzen der Quantenphysik keine Wechselwirkung gibt. Bei einem Zusammenstoss fliegen daher zwei Photonen einfach durcheinander durch, anstatt wie harte Kügelchen voneinander abzuprallen – es sei denn, man hilft ihnen etwas nach. Tatsächlich arbeiten Forscher schon länger an Techniken, mit denen man Photonen einander «spüren» lassen kann. Dadurch, so die Hoffnung, ergeben sich viele neue Möglichkeiten sowohl für die Forschung als auch für praktische Anwendungen. Ataç Imamoğlu, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, und seine Mitarbeiter haben nun einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung stark wechselwirkender Photonen gemacht. Ihre Forschungsergebnisse wurden kürzlich im Fachjournal Nature Materials veröffentlicht.

Wechselwirkungen zwischen den Polaritonen im Halbleitermaterial
Im ETH-Experiment wurden die starken Wechselwirkungen zwischen den Polaritonen im Halbleitermaterial (blau) über die Korrelationen zwischen den austretenden Photonen (rot) nachgewiesen. (Bild: ETH Zürich)

Umwandlung in Polaritonen

«Stark wechselwirkende Photonen sind so etwas wie der Heilige Gral in unserem Fachgebiet, der Photonik», erklärt Aymeric Delteil, der in Imamoğlus Labor als Postdoktorand arbeitet. Um die Lichtteilchen dazu zu bringen, sich gegenseitig abzustossen, müssen er und seine Kollegen allerdings einigen Aufwand betreiben. Mittels einer Glasfaser leiten sie kurze Laserpulse in einen optischen Resonator, in dem das Licht stark gebündelt auf ein Halbleitermaterial trifft. Dieses Material (hergestellt von Imamoğlus Kollegen in Würzburg und St. Andrew’s in Schottland) wird in einem Kryostaten – einem extrem leistungsfähigen Kühlschrank – auf minus 269 Grad Celsius abgekühlt. Bei diesen niedrigen Temperaturen können sich die Photonen mit elektronischen Anregungen des Materials vereinen. Durch diese Vereinigung entstehen dann sogenannte Polaritonen. Am anderen Ende des Materials werden diese wieder zu Photonen, die den Resonator verlassen.

Da zwischen den elektronischen Anregungen elektromagnetische Kräfte wirken, entsteht auch zwischen den Polaritonen eine Wechselwirkung. «Dieses Phänomen konnten wir schon früher nachweisen», sagt Imamoğlu. «Allerdings war der Effekt damals noch so schwach, dass nur die Wechselwirkungen vieler Polaritonen eine Rolle spielten, nicht aber die paarweise Abstossung zwischen zwei einzelnen Polaritonen.»

Korrelationen signalisieren Wechselwirkung

In ihrem neuen Experiment konnten die Forscher nun nachweisen, dass tatsächlich einzelne Polaritonen – und damit indirekt die Photonen, die in ihnen enthalten sind –miteinander wechselwirken. Dies ist erkennbar an der Art und Weise, wie die Photonen, die aus dem Resonator wieder austreten, miteinander korrelieren. Um diese sogenannte Quantenkorrelation zu bestimmen misst man die Wahrscheinlichkeit, dass nach einem Photon in kurzem Abstand noch ein zweites aus dem Resonator austritt. Kommen sich die Photonen über ihre Polaritonen im Halbleiter gegenseitig in die Quere, so ist diese Wahrscheinlichkeit geringer, als man das von nicht miteinander wechselwirkenden Photonen erwarten würde.

Im Extremfall sollte es sogar zu einer «Photonen-Blockade» kommen, ein Effekt, den Imamoğlu bereits vor 20 Jahren postuliert hat: Ein Photon im Halbleitermaterial, das ein Polariton gebildet hat, hindert ein weiteres Photon komplett daran, in das Material einzudringen und dort ebenfalls zum Polariton zu werden. «Davon sind wir allerdings noch ein Stück entfernt, » räumt Imamoğlu ein, «doch mittlerweile haben wir unser soeben veröffentlichtes Ergebnis nochmals verbessert. Wir sind also auf dem richtigen Weg.»  Imamoğlus Fernziel ist es, die Photonen so stark wechselwirken zu lassen, dass sie sich wie Fermionen verhalten – wie Quantenteilchen also, die sich niemals am selben Ort aufhalten können.

Interesse an stark wechselwirkenden Polaritonen

Um Anwendungen geht es Imamoğlu zunächst nicht. «Das ist wirklich Grundlagenforschung», sagt er. «Aber wir hoffen, irgendwann so stark wechselwirkende Polaritonen zu erzeugen, dass wir an ihnen neue quantenphysikalische Effekte untersuchen können, die sonst schwer zu beobachten sind.» Dabei interessiert sich der Physiker insbesondere für Situationen, in denen die Polaritonen zusätzlich mit ihrer Umwelt in Verbindung stehen und mit ihr Energie austauschen. Dieser Energieaustausch, verbunden mit den starken Wechselwirkungen der Polaritonen, soll nach Berechnungen theoretischer Physiker zu Phänomenen führen, die bisher nur im Ansatz erklärt werden können. Experimente, wie sie Imamoğlu durchführt, könnten also helfen, die theoretischen Modelle besser zu verstehen.

Bild: Im ETH-Experiment wurden die starken Wechselwirkungen zwischen den Polaritonen im Halbleitermaterial (blau) über die Korrelationen zwischen den austretenden Photonen (rot) nachgewiesen. (Quelle: ETH Zürich)

Weitere Informationen: https://www.ethz.ch

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