Quantenkondensate unter Schallwellen

Atome, die bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu einer Art Superatom verschmelzen, kannten Physiker bis vor wenigen Jahren nur bei atomaren Gasen als sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) in Zusammenarbeit mit der Universität Sheffield und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne erzeugen ähnliche Zustände im Festkörper und manipulieren sie mit Schallwellen.

Die Quantenkondensate im Festkörper werden in einem besonderen Materialsystem erzeugt: Durch spezielle Techniken beim Wachstum von Halbleiterschichten können Forscher künstliche Kristalle herstellen, die sich wie zwei Spiegel gegenüber stehen. In einer extrem dünnen Schicht dazwischen wird Licht hin und her reflektiert. Gleichzeitig sind in dieser Schicht auch Elektronen (negative Ladungen) und Löcher (positive Ladungen) gefangen. Photonen, also die Lichtteilchen, werden dabei von Elektronen-Loch-Paaren (Exzitonen) absorbiert und wieder emittiert. Das System schwingt sehr schnell von dem Zustand ‚Licht’ zum Zustand ‚Exzitonen’ und ist somit stark gekoppelt, etwa so wie zwei Pendel, die durch eine Feder verbunden sind. Deshalb sprechen die Physiker anstatt von getrennten Photonen und Elektronen-Loch-Paaren von „Quasiteilchen“, die sie Polaritonen nennen.

Diese faszinierenden Licht-Materie-Hybrid-Partikel besitzen Eigenschaften, die sie sehr interessant machen. „Wenn viele Polaritonen zusammen sind, beginnen sie miteinander zu ‚kommunizieren‘ – sie sind nicht mehr unabhängig, sondern bilden schließlich ein einziges Riesenpolariton, das aus tausenden nicht mehr unterscheidbaren Teilchen besteht“, beschreibt Edgar Cerda vom PDI diesen Zustand. Das entstehende Riesenpolariton kann wie ein einziges Teilchen mit gut definierten quantenmechanischen Eigenschaften betrachtet werden. Solch ein makroskopischer Quantenzustand der Materie wurde von Bose und Einstein im Jahr 1924 vorausgesagt, seine Existenz aber experimentell erst 1995 mit einem Gas aus Rubidiumatomen bestätigt. Seither kennt man diesen Zustand vor allem bei atomaren Gasen bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes (nano Kelvin). Polaritonenkondensate im Festkörper konnten erst in den letzten vier Jahren nachgewissen werden – und zwar bereits bei viel höheren Temperaturen bis hin zur Zimmertemperatur. Sie unterscheiden sich von denen in der Gasphase aber in ihren physikalischen Eigenschaften, so sind sie zum Beispiel viel kurzlebiger und leichter als die Kondensate aus Atomen, da sie aus den wesentlich leichteren Elektronen und Photonen bestehen.

Es ist bekannt, dass sich die ‚konventionellen’ makroskopischen atomaren Kondensate mit Lichtfeldern in eine periodische Anordnung bringen lassen. Die PDI-Forscher haben nun gezeigt, dass man etwas Ähnliches mit Polaritonenkondensaten machen kann. Hier wird allerdings nicht Licht eingestrahlt, sondern eine Schallwelle. Die Wellen laufen wie bei einem Erdbeben durch das Material und drücken es periodisch zusammen. In der geordneten Struktur der Wellentäler entsteht ein Potenzial, in dem sich das Kondensat sammelt. „Wir können die Höhe der Hindernisse zwischen den Kondensaten sehr fein steuern und so die Wechselwirkung zwischen ihnen einstellen. In einem Extremfall sind die Wellenberge so flach, dass das Kondensat stark wechselwirkt und sich wie ein einziges System verhält, im anderen Extremfall so hoch, dass sich die Kondensate in den Wellentälern gegenseitig nicht mehr beinflussen“, so Cerda. Die Forscher haben dabei zeigen können, dass die kleineren Kondensate ihre quantenmechanischen Eigenschaften behalten.

„Unsere Experimente zeigen, wie man solche makroskopischen Quantenzustände beeinflussen kann“, sagt Cerda. Dabei sind diese Zustände deshalb besonders interessant, weil sie im Festkörper entstehen, im Gegensatz zum ‚konventionellen’ BEC, das nur in der Gasphase existiert. Die Experimente wurden bei Tieftemperaturen von flüssigem Helium (vier Kelvin) durchgeführt. Die akustische Kontrolle des makroskopischen Quantenzustands bei Raumtemperatur, der sich tatsächlich mit anderen Halbleitermaterialien realisieren läßt, wäre ein wichtiger Schritt in Richtung Festkörper-Quantenchip. Hieran arbeiten die Wissenschaftler nun.

Phys. Rev. Lett. 105, 116402 (2010)

Kontakt:
Dr. Edgar A. Cerda Mendez, Tel.: 030-20377 504, edgar.cerda.mendez@pdi-berlin.de
Dr. Paulo Ventura Santos, Tel.: 030-20377 221, paulo.santos@pdi-berlin.de
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Hausvogteiplatz 5-7, 10117 Berlin