Wissenschaftler erzeugen Quantenzustände mit ganzzahligem Spin in photonischem Gitter

Die Herstellung des photonischen Lieb-Gitters mittels sogenannten Laserstrahlschreibens; zu erkennen ist die Bandstruktur des Gitters.
Illustration: WWU/AG Denz

Fundamentale Teilcheneigenschaften sichtbar gemacht: Physikern um Prof. Dr. Cornelia Denz von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster ist es gelungen, bestimmte quantenphysikalische Effekte zu erzeugen – mit Licht. Sie konnten erstmals Quantenzustände mit ganzzahligem Spin im Licht durch spezielle optische Wirbel sichtbar machen.

Effekte der Quantenphysik sind schwer fassbar. Einem Team von Physikern um Prof. Dr. Cornelia Denz vom Institut für Angewandte Physik der WWU ist es jedoch nun gelungen, bestimmte quantenphysikalische Effekte zu simulieren und sichtbar zu machen – mit Licht. In einem speziellen photonischen Gitter breitet sich das Licht nach den Gesetzmäßigkeiten jener Wellenfunkionen aus, die in der Quantenphysik die Rotation von Teilchen beschreiben – den Spin. Die Wissenschaftler konnten nun erstmals Quantenzustände mit ganzzahligem Spin ("Bosonen") im Licht durch spezielle optische Wirbel sichtbar machen. Andere Forscher hatten zuvor nur halbzahlige Spin-Systeme, sogenannte fermionische Spinsysteme, in photonischen Gittern simulieren können.

Der im photonischen Gitter realisierte Spin wird als Pseudospin bezeichnet. "Viele außergewöhnliche elektronische Eigenschaften bekannter Materialien wie Graphen können wir durch diesen Pseudospin sehr gut erklären", sagt Cornelia Denz. Die Erkenntnisse seien zudem ein erster Schritt auf dem Weg, höhere Spinzustände zu untersuchen, welche bei den bisher bekannten Elementarteilchen nicht vorkommen. So könne Licht das Verhalten unbekannter und unentdeckter Elementarteilchen vorhersagen.

Die Entdeckung gelang den Wissenschaftlern in einem speziellen photonischen Gitter, das sie durch intensive Laserstrahlen in ein Glasplättchen eingraviert hatten. Dieser Lieb-Gitter genannte Kristall besteht aus drei identischen zweidimensionalen Wellenleitern, die den Pseudospin festlegen. "Mit Licht können wir auch in kleinsten Dimensionen neuartige Materialien schaffen, die es wiederum ermöglichen, Licht mit ganz neuen Eigenschaften zu erzeugen", sagt Cornelia Denz. "Ein großer Vorteil dieser künstlichen optischen Kristalle ist, dass sie die quantenmechanischen Eigenschaften als Lichtintensität im wahren Wortsinn sichtbar machen."

Neben den Münsteranern waren Wissenschaftler der Australischen Nationaluniversität in Canberra und der Nazarbayev-Universität in Astana, Kasachstan, beteiligt.

Literatur
Diebel F. et al. (2016): Conical Diffraction and Composite Lieb Bosons in Photonic Lattices. Phys. Rev. Lett.; DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.183902

Quelle
Westfälische Wilhelms-Universität Münster