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Neuartiger Werkstoff für Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie

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Physik

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es gelungen, mit Licht in der Grösse eines Fotons einen neuen Werkstoff zu koppeln. Diese Leistung eröffnet Möglichkeiten für eine bessere Kontrolle und ein umfassenderes Verständnis der Eigenschaften von korrelierten Quantensystemen.

Es gibt eine umfangreiche Klasse von Werkstoffen, die die Physiker als «stark korreliert» bezeichnen. Dazu zählen Isolatoren und elektronische Werkstoffe mit ungewöhnlichen elektronischen und magnetischen Eigenschaften und sogar die Neutronen, aus denen Neutronensterne bestehen. Ihre Besonderheit rührt daher, dass ihre Bestandteile sehr stark miteinander interagieren, sodass im Gesamtgebilde neue, bei den einzelnen Partikeln nicht vorhandene Eigenschaften sichtbar werden.

Die unvergleichlichen Eigenschaften der stark korrelierten Werkstoffe sind aus technologischer Sicht oft nützlich. Sie werden für supraleitfähige Magnete und Magnetspeichertechnologien, aber auch im aufstrebenden Bereich der «Quantentechnologien» eingesetzt.

«Wir werden diese Technik jetzt nutzen, um die Eigenschaften von Systemen mit Quantenkorrelation, bei denen theoretische Berechnungen schwierig sind, besser zu steuern und zu verstehen.»

Ein von Jean-Philippe Brantut am Institut für Physik der EPFL geleitetes Team hat den ersten komplexen, stark korrelierten Werkstoff entdeckt, dessen Bestandteile eng mit dem Licht in der Grössenordnung eines Fotons gekoppelt sind. Diesen Werkstoff bezeichnen die Forscherinnen und Forscher als «Fermigas». Dabei handelt es sich vereinfacht um ein Gas aus neutralen, auf eine Temperatur sehr nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlten Atomen. Die Atome, die zur gleichen Elementarteilchenfamilie wie die Elektronen oder Neutronen gehören, zeigen dabei ähnliche, stark korrelierte Effekte.

Als die Forscherinnen und Forscher dieses Fermigas zwischen zwei hochreflektierenden optischen Spiegeln platzierten (eine Art «Lichtbox»), stellten sie fest, dass die Wechselwirkungen mit dem Licht eine beispiellose Kraft entwickeln können. «Wir werden diese Technik jetzt nutzen, um die Eigenschaften von Systemen mit Quantenkorrelation, bei denen theoretische Berechnungen schwierig sind, besser zu steuern und zu verstehen», erklärt Jean-Philippe Brantut. «Umgekehrt könnten wir so stark korrelierte Werkstoffe für quantentechnologische Anwendungen benutzen, bei denen Schnittstellen mit dem Licht eine Voraussetzung darstellen.»

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