Künstliche Magnetfelder für Photonen

In der modernen Informationstechnologie gibt es eine recht klare Arbeitsteilung zwischen Lichtteilchen (Photonen), mit denen man Daten schnell und zuverl?ssig ¨¹ber weite Distanzen ¨¹bertr?gt, und Elektronen, die in den Computerchips die Datenverarbeitung ¨¹bernehmen. Dass man Photonen nicht f¨¹r 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 Ata? Imamo?lu, Professor am Institut f¨¹r Quantenelektronik, haben nun in einem Experiment gezeigt, wie man k¨¹nstliche Magnetfelder erzeugen und so ¨¹ber Umwege Photonen dennoch steuern kann.

Polaritonen als Marschgep?ck

Zwar ist es unm?glich, Photonen eine tats?chliche elektrische Ladung zu geben, doch man kann ihnen gewissermassen vorgaukeln, sie h?tten eine. Seit einigen Jahren beispielsweise entwickeln Forscher Materialien, deren optische Eigenschaften w?hrend der Herstellung derart gestaltet werden, dass sich die Photonen darin so bewegen, als ?f¨¹hlten? sie ein elektrisches oder magnetisches Feld. Der Nachteil dieser Technik besteht allerdings darin, dass man die so herbeigef¨¹hrten k¨¹nstlichen Felder nicht oder zumindest nicht sehr schnell ver?ndern kann. Genau dies w?re aber n?tig, 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?, erkl?rt Emre Togan, Oberassistent in Imamo?lus 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 w¨¹rden, werden in Polaritonen umgewandelt und ziehen die Exzitonen gleichsam hinter sich her, wenn sie sich in dem Halbleiter fortbewegen. Die eigentlich gegen¨¹ber elektromagnetischen Feldern unempfindlichen Photonen k?nnen nun ¨¹ber dieses Marschgep?ck indirekt beeinflusst werden, indem man das von Imamo?lu verwendete Halbleitermaterial elektrischen und magnetischen Feldern aussetzt.

Konstantes Eichpotenzial

?Der kombinierte Effekt der elektrischen und magnetischen Felder auf die Polaritonen f¨¹hrt dann zu einem sogenannten Eichpotenzial?, fasst Hyang-Tag Lim zusammen, der in Imamo?lus Labor als Postdoktorand arbeitet. Vergleichbar ist ein solches Eichpotenzial mit einer kippbaren Hebeb¨¹hne. Stellt man ein Fahrzeug auf eine solche B¨¹hne und f?hrt diese hoch, so ?ndert sich die potenzielle (also H?hen-) Energie des Fahrzeugs, wegrollen wird es aber nicht. Erst wenn man die B¨¹hne kippt und so einen H?henunterschied entlang der B¨¹hne erzeugt, wird das Fahrzeug sich bewegen. Auf ?hnliche Weise bildet ein Eichpotenzial erst dann ein effektives magnetisches Feld, wenn es sich r?umlich ?ndert.

In ihrem jetzt, in der Fachzeitschrift Nature Communications, ver?ffentlichten Experiment ist es Imamo?lu und seinen Mitarbeitern in einem ersten Schritt gelungen, ein konstantes Eichpotenzial f¨¹r die Photonen zu erzeugen. Um dieses Potenzial nachzuweisen, bauten die Forscher einen Miniatur-Interferometer. In einem Interferometer spaltet man dazu Licht zun?chst in zwei Strahlen auf, die sich dann zum Beispiel in unterschiedlichen Materialien ausbreiten. Danach werden die Strahlen wieder zusammengef¨¹hrt, und die daraus resultierende Interferenz ¨C dass sich also Wellenberge und -t?ler gegenseitig ausl?schen, zwei aufeinandertreffende Wellenberge sich aber verst?rken ¨C wird am Ausgang des Interferometers gemessen.   

Aus dem so entstandenen Interferenzmuster konnten die Physiker schliessen, dass auf die Photonen im Halbleitermaterial tats?chlich ein Eichpotenzial wirkte. ?Das Sch?ne daran ist, dass wir dieses Eichpotenzial mithilfe der Felder beliebig kontrollieren k?nnen?, sagt Imamo?lu. 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. 

Demn?chst wollen die Forscher daran arbeiten, noch st?rkere Eichpotenziale zu realisieren, die r?umlich variieren und mit denen in Zukunft sehr grosse k¨¹nstliche Magnetfelder f¨¹r Photonen erzeugt werden k?nnten. Damit k?nnten dann mit Photonen auch Ph?nomene untersucht werden, die f¨¹r gew?hnlich nur mit Elektronen unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu beobachten sind, wie etwa der Quanten-Hall-Effekt.