Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Negative Quantenkleckse im Eierkarton

28.02.2014

Licht-Materie-Quantenteilchen können in Halbleitern durch Töne beeinflusst werden. Berliner Physikern ist es jetzt erstmals gelungen, die Teilchen in einer zweidimensionalen Gitterstruktur aus Schallwellen, die einem Eierkarton ähnelt, einzufangen und zu manipulieren.

Dabei verhielten sich die Quantenteilchen überraschenderweise so, als hätten sie eine negative Masse. Das Verfahren könnte hilfreich für den Bau von optischen Computern sein, aber auch neuartige Konzepte in der Kommunikationstechnik ermöglichen.


Halbleiter, der einen Resonator für Polaritonen bildet.

PDI

Dr. Edgar Cerda und sein Team am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin erzeugten in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Sheffield eine Gitterstruktur durch zwei im rechten Winkel eingestrahlte Schallwellen. Dies gelang mit einer besonders ausgefeilten Art von Halbleiterkristall:

Das Team im PDI dampfte auf eine Galliumarsenid-Unterlage rund 80 Schichten des Halbleitermaterials auf, die jeweils genau definiert zwischen zehn und 200 Nanometer dick sind und unterschiedliche Anteile an Aluminium enthalten. Das Aluminium verändert den Brechungsindex der Schichten.

Durch das Einstrahlen von Lichtteilchen (Photonen) entsteht ein besonderer Quantenzustand. Die Photonen verkoppeln sich mit speziellen Elektronenzuständen im Halbleiter, sogenannten Exzitonen. Die daraus entstehenden Licht-Materie-Quasiteilchen nennen die Physiker Polaritonen.

Dabei werden ständig Photonen aufgenommen und wieder abgegeben. Sobald genügend Polaritonen in den Halbleiterschichten, dem optischen Resonator, erzeugt worden sind, verhalten sie sich nicht mehr wie individuelle Teilchen, sondern verschmelzen zu einem Riesenpolariton. Vorausgesagt hatten ähnliche makroskopische Quantenzustände nicht mehr unterscheidbarer Teilchen Albert Einstein und der indische Physiker Satyendranath Bose bereits 1924. Im Labor nachgewiesen werden konnte ein solches Bose-Einstein-Kondensat allerdings erst 1995.

Versetzt man nun die Oberfläche des Halbleiters in akustische Schwingungen, treten die Polaritonen mit diesen in Wechselwirkung. Erstmals konnten Cerda und sein Team dabei beobachten, dass Polaritonen, die sich in eine bestimmte Richtung des Gitters bewegen, so verhalten, als hätten sie eine negative Masse. Durch diesen negativen Masse-Effekt, können diese speziellen Polaritonen leichter zusammenbleiben und ein ganz besonderes Riesenpolariton formen. Negative Massezustände konnten bereits vorher in reinen Photoniksystemen beobachtet werden, erstmals aber wurde es jetzt mit Polaritonen demonstriert.

„Diese Technik der Schallwellen an der Oberfläche ist sehr flexibel“, erläutert Cerda. „Wir können die Kreuzgitter in verschiedenen Abmessungen und Tiefen erzeugen, um die optimalen Konditionen für das Superpolariton mit negativer Masse zu erreichen.“ Damit stehe den Forschern eine ausgesprochen flexible Plattform zur Verfügung, mit der faszinierende physikalische Phänomene untersucht werden könnten. So gebe es bereits theoretische Ansätze und Überlegungen zur Erzeugung anderer exotischer Zustände. „Sie können vielleicht genutzt werden, um Informationen unkonventionell zu verarbeiten.“ Ein weiterer Ansatzpunkt wäre für Cerda ein Mikrochip, auf dem sich Quantenpunkte einzeln in der gekreuzten Gitterstruktur einfangen lassen.

Momentan arbeiten die Physiker gezwungenermaßen noch bei extrem tiefen Temperaturen von rund sechs Grad Kelvin. „Galliumarsenid ist bereits in vielen Anwendungen üblich und deshalb in der notwendigen Reinheit erhältlich“, sagt Cerda. Der Physiker hofft aber, dass seine Arbeitsgruppe später mit ähnlichen Kristallen aus Galliumnitrat den gleichen Effekt auch bei Raumtemperatur erzielen kann.

Phys. Rev. Lett. 111, 146401 (2013)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.146401

Kontakt: Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI)
Hausvogteiplatz 5-7, 10117 Berlin
Dr. Edgar Cerda
Tel.: 030-20377 504

Abb. 1: Das Bild links zeigt den aus vielen Schichten bestehenden Halbleiter, der einen Resonator für Polaritonen bildet. Durch akustische Wellen (AW1 überlagert mit AW2) wird eine Gitterstruktur auf der Oberfläche erzeugt. Die Formierung der Superpolaritonen mit negativer Masse zeigt sich in den roten Bereichen des rechten Diagramms. Grafik: PDI

Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Weitere Informationen:

http://www.pdi-berlin.de - Paul-Drude-Institut
http://www.fv-berlin.de - Forschungsverbund Berlin e. V.

Karl-Heinz Karisch | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenmechanik ist komplex genug – vorerst …
21.04.2017 | Universität Wien

nachricht Tief im Inneren von M87
20.04.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für Netzleittechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact beteiligt sich an Berliner Start-up Unternehmen für Energiemanagement

24.04.2017 | Unternehmensmeldung

Phoenix Contact übernimmt Spezialisten für industrielle Kommunikationstechnik

24.04.2017 | Unternehmensmeldung