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 Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische Universität Wien

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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

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

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

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