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Die dunkle Seite hell leuchtender Kondensate

Einer europäischen Kooperation unter Leitung Regensburger Physiker gelingt ein einzigartiger Einblick in die innere Struktur makroskopischer Materiewellen


Pressemitteilung vom 19. August 2014

Zu den Schlüsselerkenntnissen der modernen Physik gehört, dass Teilchen, wie zum Beispiel Atome, Welleneigenschaften besitzen. Diese sind im Alltag meist nicht offensichtlich, weil die Wellenlängen winzig sind und bei Überlagerung vieler Teilchen Wellenberge und -täler oft verwischen. Bei hinreichend tiefen Temperaturen aber können viele Atome exakt denselben Zustand einnehmen. Sie marschieren dann sozusagen im Gleichschritt und werden zu einer einzigen Riesenwelle. Dieses spektakuläre Quantenphänomen bezeichnet man als Bose-Einstein-Kondensation. Für die Kondensation von Atomen benötigt man Temperaturen von weniger als einem Millionstel Grad oberhalb des absoluten Nullpunkts – eine Herausforderung, die erstmals 1995 gemeistert und 2001 mit dem Nobelpreis für Physik bedacht wurde.
In maßgeschneiderten, atomar glatten Halbleiter-Schichtstrukturen lassen sich synthetische Mischteilchen, sogenannte Exziton-Polaritonen, erzeugen, die halb Licht- halb Materiewelle sind und wegen ihrer geringen Masse bereits bei relativ hohen Temperaturen kondensieren sollten. Tatsächlich wurden zahlreiche Indizien für Polariton-Kondensation gefunden. Langfristig hofft man sogar, dass makroskopische Polaritonwellen technische Anwendungen in hocheffizienten Lichtquellen oder in der Informationsverarbeitung der Zukunft finden könnten. Weltweit werden daher große Anstrengungen unternommen, um die Natur dieses Quantenphänomens besser zu verstehen. Da Polariton-Kondensate hell leuchten, zogen die Forscher bisher nur den Lichtanteil zur Untersuchung heran. Der Materieanteil hingegen blieb im wahrsten Sinne des Wortes im Dunkeln, obwohl er entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Kondensats haben könnte.
Einem Team um Prof. Dr. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg ist es in einer Kooperation mit Kollegen um Prof. Dr. Jacqueline Bloch vom CNRS-Laboratoire de Photonique et Nanostructures in Paris nun gelungen, mithilfe eines weltweit einzigartigen Lasersystems Licht ins Dunkel zu bringen. Sie verwendeten ultrakurze Lichtblitze im ferninfraroten Spektralbereich, um innere atomähnliche Anregungen eines Polariton-Kondensats zu untersuchen und somit Informatio-nen über den Materieanteil zu gewinnen. Die Forscher konnten damit ein umfassendes Bild von der Kondensation zeichnen und insbesondere erstmals beweisen, dass die Polaritonen maßgeblich von ihrem optisch dunklen Materieanteil in den gemeinsamen Quantenzustand getrieben werden, ihrem atomaren Pendant also sehr ähnlich sind.
Die Ergebnisse, die analog auf viele weitere Teilchensorten übertragbar sein dürften, wurden jüngst in der renommierten Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Mithilfe der neu entdeckten inneren Struktur könnten Kondensate im nächsten Schritt auf Knopfdruck von einem optisch hellen in einen dunklen Zustand und wieder zurück geschaltet werden. Langfristig könnten daraus neuartige Konzepte für quantenbasierte Logikbausteine entstehen.

Veröffentlichung:
J.-M. Ménard, C. Poellmann, M. Porer, U. Leierseder, E. Galopin, A. Lemaître, A. Amo, J. Bloch and R. Huber, " Revealing the dark side of a bright exciton polariton condensate", Nature Communications (published online) (2014)
Publikation: http://dx.doi.org/10.1038/ncomms5648


Ansprechpartner für Medienvertreter

Prof. Dr. Rupert Huber
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Telefon 0941 943-2070
E-Mail rupert.huber@ur.de

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