Quantenphänomen in Kunststoff

  • 11. December 2013

Laser-erzeugtes Bose-Einstein-Kondensat aus Exzitonen-Polaritonen in einer dünnen Polymerschicht.

Erstmals ist es Physikern des IBM-Forschungslabors in Rüschlikon gelungen, eine Bose-Einstein-Kondensation in einem nicht-kristallinen Festkörper und bei Raumtemperatur zu beobachten. Diese Entdeckung hat beträchtliche Vorteile im Hinblick auf eine zukünftige praktische Nutzung des Effekts, sowohl in neuartigen optoelektronischen Bauelementen für energieeffiziente Laser als auch in optischen Schaltern. Beide gelten als wichtige Komponenten für die Entwicklung kommender Generationen von Supercomputern.

Versuchsaufbau

Abb.: Im Experiment liegt eine hauchdünne Polymerschicht (gelb) in einem Mikroresonator, bei dem die Spiegel aus verschiedenen transparenten Oxidschichten (rot und blau) bestehen. Regt ein Laser (weiß) den Kunststoff an, entsteht ein Bose-Einstein-Kondensat aus den Exzitonen-Polaritonen, das grünes, laserartiges Licht (grün) nach oben strahlt. (Bild: IBM)
 

„Dass eine Bose-Einstein-Kondensation nicht nur in ultrareinen Kristallen möglich ist, sondern auch in dünnen Polymerschichten, hat alle unsere Erwartungen übertroffen“, sagt Thilo Stöferle, Physiker am IBM Forschungslabor in Rüschlikon. „Das Phänomen ist besonders faszinierend, da die Quantenwelt unmittelbar auf der makroskopischen Skala beobachtbar ist.“

Die Forscher machten die Entdeckung in einem lumineszierenden Polymer, ähnlich den emittierenden Materialien organischer LEDs, das von Chemikern der Universität Wuppertal hergestellt wurde. Im Experiment wird das Polymer in einem mehrstufigen Verfahren als hauchdünne Schicht von gerade einmal 35 Nanometer zwischen zwei Spiegeln aufgebracht und optisch durch einen Laser angeregt. Dadurch sendet das Polymer Licht aus, das zwischen den Spiegeln hin- und her reflektiert wird. Durch die Wechselwirkung dieses Lichts mit dem Polymer bilden sich Polaritonen und es kommt zu einer Bose-Einstein-Kondensation. Diese wird mit Hilfe eines Interferometers nachgewiesen, welches den von den Bosonen am Ende ihrer Lebensdauer emittierten Lichtquant analysiert. Der Lichtquant enthält alle Informationen über die Natur des Bose-Einstein-Kondensats.

T. Stöfele im Labor

Abb.: Thilo Stöferle justiert die Linsen für den Laserstrahl, mit dem der Polymerfilm im Experiment angeregt wird. (Bild: IBM)

Im Experiment beträgt die Lebensdauer des Phänomens nur wenige Pikosekunden. Die Forscher sind sich sicher, dass dies bereits genügt, um die Bosonen sowohl als Quelle für laserartiges Licht als auch als optischen Schalter für zukünftige ultra-leistungsfähige und energiearme, optische Datenverbindungen in Computersystemen zu nutzen.

IBM / AH

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