Forschung

Erfolgreicher Nachweis eines Phonoritons

08.06.2021 - Synthese des Drei-Komponenten-Teilchen aus Exzitonen, Phononen und Photonen geglückt.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg und dem Massachusetts Institute of Technology berichten, dass mithilfe von eingefangenem Licht Phonori­tonen in einem Festkörper erzeugt werden können. Diese neuartigen Teilchen bestehen aus drei Komponenten: Licht (Photonen), elek­tronischen Anregungen (Exzitonen) und Gitter­schwingungen (Phononen). Die Nutzung von Licht in Hohlräumen stellt einen völlig neuen Ansatz für die Veränderung der Material­eigenschaften dar, denn das Licht erzeugt so neue Wechsel­wirkungen zwischen den mikro­skopischen Komponenten. 

Das Forscherteam zeigt, dass sich mithilfe von Licht auf engstem Raum die Kopplung zwischen elektronischen Anregungen und der Vibration der Kerne steuern lässt – mit bemerkens­werten Effekten. So lässt sich die Lichtabsorption des Materials durch die Steuerung dieses Kopplungs­prozesses verändern. Diese Erkenntnisse verdeutlichen das enorme Potenzial von eingefangenem Licht für die Steuerung der Wechsel­wirkungen zwischen den mikro­skopischen Komponenten eines Materials. Die Theoriegruppe des MPSD entwickelt innovative Material­design-Ansätze, wie zum Beispiel das Engineering von Materialeigenschaften über die starke Kopplung zwischen Licht und Materie, die erreicht werden kann, wenn ein Material in einem Hohlraum platziert wird. Die beiden Metallplatten des Hohlraums wirken als Spiegel, begrenzen das Licht so in dem engen Raum und verstärken die Wechsel­wirkung zwischen den Photonen und den Teilchen im einge­betteten Material. So eine starke Kopplung zwischen Licht und Materieteilchen kann die Eigenschaften des Materials drastisch verändern, was neue physikalische Effekte verursacht. 

In ihrer Arbeit sagen die Forscher die Entstehung eines Drei-Komponenten-Teilchens voraus, das durch die Mischung von Exzitonen, Phononen und Photonen im Inneren eines Hohlraums entsteht. Dieses Licht-Materie-Hybrid­teilchen, Phonoriton genannt, wurde bereits vor mehr als drei Jahrzehnten von Ivanov und Keldysh vorhergesagt. Bislang konnte es jedoch nicht nachgewiesen werden, weil es ursprünglich im Rahmen der Laserphysik für Laser vorge­schlagen wurde, die so stark sind, dass sie das Material einfach zerstören würden. Die Verwendung eines Hohlraums zur Verstärkung der Kopplung von Licht mit Materie löst nicht nur das Problem der zu starken Laser, sondern rückt auch das lange vorhergesagte Phonoriton in Festkörpern in den Bereich experi­mentell realisierbarer Bedingungen und ermöglicht so die Beobachtung des ersten Drei-Komponenten-Teilchens in Festkörpern. Das Team weist jedoch nicht nur die Existenz des Phono­ritons nach, sondern liefert auch experimentell messbare Signaturen, die in der optischen Absorption beobachtet werden können und die helfen können, das neuartige Licht-Materie-Teilchen eindeutig zu identi­fizieren. 

Diese Erkenntnisse sind bedeutsam, weil sie einen neuen Ansatz für die Untersuchung von Anregungen in Materialien aufzeigen, die bisher nur mit höchstens zwei konstituierenden Teilchen wie Polaronen, Exzitonen, Polaritonen oder Plasma­ronen in Verbindung gebracht wurden. Das Phonoriton-Paradigma öffnet diesen Zoo von Quasiteilchen für viele neuartige Mitglieder, die aus Dreierkombinationen entstehen. „Diese Arbeit ist ein exzellentes Beispiel dafür, wie Licht als Werkzeug genutzt werden kann, um Wechsel­wirkungen zwischen den mikro­skopischen Komponenten der Materie zu erzeugen“, sagt Simone Latini, ein Postdoktorand am MPSD. „Eine experi­mentelle Veri­fizierung unserer Vorhersagen wäre extrem spannend. Unsere experi­mentellen Kollegen und Kolleginnen arbeiten bereits daran und wir können es kaum abwarten, ihre Ergebnisse zu sehen!“

„Ich bin begeistert von diesem neuen Ansatz, Wechsel­wirkungen in Festkörpern durch die Kombination bekannter Anregungen zu erzeugen", ergänzt Hannes Hübener, Gruppenleiter in der MPSD-Theorie­abteilung. Auch MPSD-Gruppenleiter Umberto de Giovannini sieht die Ergebnisse als einen Durchbruch: „Es ist großartig, einem Teilchen neues Leben einzuhauchen, das zwar vor langer Zeit von Ivanov und Keldysh vorgeschlagen, aber nie wirklich beobachtet wurde. Diese ständige Arbeit des Über­prüfens und Verfeinerns bekannter Begriffe sowie der gegenseitige Über­arbeitung von Konzepten ist die Essenz der Wissenschaft.“ Das Team glaubt, dass diese Studie das volle Potenzial der Hohlraum­materietechnik nur im Ansatz enthüllt. Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse die wissen­schaftliche Gemeinschaft motivieren werden, noch tiefer in die Materie einzu­tauchen und spannende neue Effekte zu enthüllen.

MPSD / JOL

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