16.03.2015

Philipps-Universität Marburg

Halbleiter in Zeitlupe

Quantensprung in die Praxis: Der Marburger Physiker Professor Dr. Mackillo Kira hat Prozesse in Halbleitern als Modell genutzt, um Wechselwirkungen in einem extremen quantenphysikalischen System zu erklären, einem so genannten Bose-Einstein-Kondensat. Demnach steuern dieselben Mechanismen die Wechselwirkungen in beiden Systemen.

Halbleiter sind Systeme, die theoretisch umfassend beschrieben und technisch gut kontrolliert sind; sie liefern Anwendungen wie Laser oder mikroelektronische Schaltungen. Bose-Einstein-Kondensate hingegen dienen als Testumgebungen für bizarre Eigenschaften der Quantenwelt; sie bestehen aus ununterscheidbaren Teilchen, die sich wie ein einziges physikalisches Objekt verhalten – eine Art Teilchenwolke. Trotz der himmelweiten Unterschiede, die zwischen beiden Systemen bestehen, prognostiziert Kira: „Die Reise von der quantenmechanischen Forschung in die Praxis wird nicht mehr lange dauern.“

Licht kann Elektronen in Halbleitern dazu anregen, sich mit so genannten Defekt-Elektronen zu vereinigen, das sind Stellen im Halbleiter, an denen ein Elektron fehlt. Solche Wechselwirkungen beeinflussen, wie ein Laser auf Halbleiterbasis funktioniert. Auch für Bose-Einstein-Kondensate spielen physikalische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle. Sie können zum Beispiel dazu führen, dass normale Atome aus der Quantenwolke ausgegliedert werden.

Wie Kira in seinem Aufsatz zeigt, werden die Wechselwirkungen in Bose-Einstein-Kondensaten einerseits und Halbleitern andererseits durch dieselben Mechanismen gesteuert. „Cluster-Erzeugungsprozesse stellen eine direkte Verbindung zwischen den beiden Systemen dar“, erläutert der Autor. „Auf diese Weise lassen sich Quantenprozesse, die in Halbleitern auftreten, wie unter Zeitlupe beobachten, da Wechselwirkungen in Bose-Einstein-Kondensaten millionenmal langsamer stattfinden.“

Professor Dr. Mackillo Kira lehrt Theoretische Halbleiterphysik an der Philipps-Universität. Erst vor wenigen Jahren legte er zusammen mit Kollegen einen neuen Theorierahmen für die Quanten-Laserspektroskopie vor.

Literatur
Mackillo Kira: Coherent quantum depletion of an interacting atom condensate, Nature Communications 2015, DOI: 10.1038/ncomms7624

Quelle