Fundamentale Teilcheneigenschaften sichtbar gemacht

Effekte der Quantenphysik sind schwer fassbar. Einem Team von Physikern um 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.

Originalveröffentlichung:

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

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