Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Künstliche Magnetfelder für Photonen

09.03.2017

Lichtteilchen reagieren normalerweise nicht auf Magnetfelder. ETH-Forscher haben jetzt gezeigt, wie man Photonen dennoch mit elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussen kann. In Zukunft könnten mit dieser Methode starke künstliche Magnetfelder für Photonen erzeugt werden.

In der modernen Informationstechnologie gibt es eine recht klare Arbeitsteilung zwischen Lichtteilchen (Photonen), mit denen man Daten schnell und zuverlässig über weite Distanzen überträgt, und Elektronen, die in den Computerchips die Datenverarbeitung übernehmen.


Photonen sind eigentlich unempfindlich gegenüber Magnetfeldern. Wenn sie sich in bestimmten Festkörpern bewegen, können sie jedoch mit elektrischen und magnetischen Feldern beeinflusst werden. (Grafik: Colourbox / Montage Josef Kuster)

Dass man Photonen nicht für die Datenverarbeitung verwendet, liegt unter anderem daran, dass sie sich nicht so leicht steuern lassen wie Elektronen. Da sie keine elektrische Ladung besitzen, kann man sie nicht ohne Weiteres mithilfe von elektrischen oder magnetischen Feldern kontrollieren. ETH-Forschende um Ataç Imamoğlu, Professor am Institut für Quantenelektronik, haben nun in einem Experiment gezeigt, wie man künstliche Magnetfelder erzeugen und so über Umwege Photonen dennoch steuern kann.

Polaritonen als Marschgepäck

Zwar ist es unmöglich, Photonen eine tatsächliche elektrische Ladung zu geben, doch man kann ihnen gewissermassen vorgaukeln, sie hätten eine. Seit einigen Jahren beispielsweise entwickeln Forscher Materialien, deren optische Eigenschaften während der Herstellung derart gestaltet werden, dass sich die Photonen darin so bewegen, als «fühlten» sie ein elektrisches oder magnetisches Feld.

Der Nachteil dieser Technik besteht allerdings darin, dass man die so herbeigeführten künstlichen Felder nicht oder zumindest nicht sehr schnell verändern kann. Genau dies wäre aber nötig, wenn man mit Photonen etwa Computer oder andere Bauteile in der Informationstechnik konstruieren will.

«Unser Ansatz beruht nicht auf einer ausgefeilten Struktur des optischen Materials», erklärt Emre Togan, Oberassistent in Imamoğlus Forschungsgruppe, «sondern auf der Nutzung sogenannter Polaritonen». Wenn Photonen in ein Material eindringen, dessen Elektronen sich von den Lichtwellen verschieben oder «polarisieren» lassen (ein sogenanntes dielektrisches Material), so bilden sie Polaritonen, also aneinander gekoppelte Licht- und Polarisierungswellen. Letztere sind auch als Exzitonen bekannt, in denen ein Elektron und ein «Loch», also ein fehlendes Elektron in der Energiestruktur, durch die elektrische Anziehungskraft aneinander gebunden sind.

Photonen, die sich im Vakuum frei ausbreiten würden, werden in Polaritonen umgewandelt und ziehen die Exzitonen gleichsam hinter sich her, wenn sie sich in dem Halbleiter fortbewegen. Die eigentlich gegenüber elektromagnetischen Feldern unempfindlichen Photonen können nun über dieses Marschgepäck indirekt beeinflusst werden, indem man das von Imamoğlu verwendete Halbleitermaterial elektrischen und magnetischen Feldern aussetzt.

Konstantes Eichpotenzial

«Der kombinierte Effekt der elektrischen und magnetischen Felder auf die Polaritonen führt dann zu einem sogenannten Eichpotenzial», fasst Hyang-Tag Lim zusammen, der in Imamoğlus Labor als Postdoktorand arbeitet. Vergleichbar ist ein solches Eichpotenzial mit einer kippbaren Hebebühne. Stellt man ein Fahrzeug auf eine solche Bühne und fährt diese hoch, so ändert sich die potenzielle (also Höhen-) Energie des Fahrzeugs, wegrollen wird es aber nicht. Erst wenn man die Bühne kippt und so einen Höhenunterschied entlang der Bühne erzeugt, wird das Fahrzeug sich bewegen. Auf ähnliche Weise bildet ein Eichpotenzial erst dann ein effektives magnetisches Feld, wenn es sich räumlich ändert.

In ihrem jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Experiment ist es Imamoğlu und seinen Mitarbeitern in einem ersten Schritt gelungen, ein konstantes Eichpotenzial für die Photonen zu erzeugen. Um dieses Potenzial nachzuweisen, bauten die Forscher einen Miniatur-Interferometer.

In einem Interferometer spaltet man dazu Licht zunächst in zwei Strahlen auf, die sich dann zum Beispiel in unterschiedlichen Materialien ausbreiten. Danach werden die Strahlen wieder zusammengeführt, und die daraus resultierende Interferenz – dass sich also Wellenberge und -täler gegenseitig auslöschen, zwei aufeinandertreffende Wellenberge sich aber verstärken – wird am Ausgang des Interferometers gemessen.

Aus dem so entstandenen Interferenzmuster konnten die Physiker schliessen, dass auf die Photonen im Halbleitermaterial tatsächlich ein Eichpotenzial wirkte. «Das Schöne daran ist, dass wir dieses Eichpotenzial mithilfe der Felder beliebig kontrollieren können», sagt Imamoğlu. Obwohl die ETH-Forscher Photonen in einem Halbleitermaterial benutzten, ist die Methode, die sie jetzt demonstriert haben, sehr allgemein. Sie ist auf jedes System anwendbar, in dem Photonen stark an ein polarisierbares Medium gekoppelt sind, wie etwa ein Gas aus Rydberg-Atomen.

Demnächst wollen die Forscher daran arbeiten, noch stärkere Eichpotenziale zu realisieren, die räumlich variieren und mit denen in Zukunft sehr grosse künstliche Magnetfelder für Photonen erzeugt werden könnten. Damit könnten dann mit Photonen auch Phänomene untersucht werden, die für gewöhnlich nur mit Elektronen unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu beobachten sind, wie etwa der Quanten-Hall-Effekt.


Literaturhinweis

Lim HT, Togan E, Kroner M, Miguel-Sanchez J, Imamoğlu A: Electrically tunable artificial gauge potential for polaritons. Nature Communications 2017: 14540, doi: 10.1038/ncomms14540 [http://dx.doi.org/10.1038/ncomms14540]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/03/magnetfeld...

Hochschulkommunikation | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars
26.04.2018 | Universität Bern

nachricht Belle II misst die ersten Teilchenkollisionen
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Physik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz »Encoding Cultures. Leben mit intelligenten Maschinen« | 27. & 28.04.2018 ZKM | Karlsruhe

26.04.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltrekord an der Uni Paderborn: Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

26.04.2018 | Informationstechnologie

Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars

26.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics