Forscher der niederländischen Universität Twente haben wichtige Erkenntnisse über Photonen gewonnen, die Elementarteilchen, aus denen Licht besteht. Sie „verhalten“ sich in einer erstaunlich größeren Vielfalt als Elektronen, die Atome umgeben, und sind zudem viel einfacher zu kontrollieren.
Diese neuen Erkenntnisse finden breite Anwendung, von intelligenter LED-Beleuchtung über neue, mit Quantenschaltkreisen gesteuerte photonische Informationseinheiten bis hin zu empfindlichen Nanosensoren. Ihre Ergebnisse sind veröffentlicht in Körperliche Überprüfung B.
In Atomen besetzen winzige Elementarteilchen, die Elektronen genannt werden, Bereiche um den Atomkern in Formen, die Orbitale genannt werden. Diese Orbitale geben die Wahrscheinlichkeit an, ein Elektron in einem bestimmten Raumbereich zu finden. Die Quantenmechanik bestimmt die Form und Energie dieser Orbitale. Ähnlich wie bei Elektronen beschreiben Forscher den Raumbereich, in dem ein Photon am wahrscheinlichsten zu finden ist, ebenfalls mit Orbitalen.
„Welche wilde Form Sie auch immer entwerfen“
Forscher an der Universität Twente untersuchten diese photonischen Orbitale und entdeckten, dass sie durch sorgfältiges Design bestimmter Materialien diese Orbitale mit einer großen Vielfalt an Formen und Symmetrien erzeugen und steuern können. Diese Ergebnisse haben potenzielle Anwendungen in fortschrittlichen optischen Technologien und im Quantencomputing.
Erstautor Kozon erklärt: „In der Lehrbuchchemie umkreisen die Elektronen immer den winzigen Atomkern im Zentrum des Orbitals. Die Form eines Elektronenorbitals kann also nicht groß von einer perfekten Kugel abweichen. Bei Photonen können die Orbitale jede beliebige wilde Form annehmen, die Sie sich ausdenken, indem Sie verschiedene optische Materialien in entworfenen räumlichen Anordnungen kombinieren.“
Einfacher zu gestalten
Die Forscher führten eine Computerstudie durch, um zu verstehen, wie sich Photonen verhalten, wenn sie in einer speziellen 3D-Nanostruktur aus winzigen Poren (einem photonischen Kristall) eingeschlossen sind. Diese Hohlräume sind absichtlich so gestaltet, dass sie Defekte aufweisen, wodurch eine Überstruktur entsteht, die die photonischen Zustände von der Umgebung isoliert.
Die Physiker Vos und Lagendijk sagen: „Angesichts der reichhaltigen Möglichkeiten der Nanotechnologie ist es viel einfacher, raffinierte Nanostrukturen mit neuartigen photonischen Orbitalen zu entwerfen, als Atome zu modifizieren, um neuartige elektronische Orbitale und chemische Prozesse zu realisieren.“
Fortschrittliche optische Technologien
Photonische Orbitale sind wichtig für die Entwicklung moderner optischer Technologien wie effizienter Beleuchtung, Quantencomputer und empfindlicher photonischer Sensoren. Die Forscher untersuchten auch, wie diese Nanostrukturen die lokale Dichte optischer Zustände erhöhen, was für Anwendungen in der Hohlraumquantenelektrodynamik wichtig ist.
Sie fanden heraus, dass Strukturen mit kleineren Defekten eine größere Verstärkung aufweisen als solche mit größeren Defekten. Dies macht sie besser geeignet für die Integration von Quantenpunkten und die Schaffung von Netzwerken aus einzelnen Photonen.
Mehr Informationen:
Marek Kozoň et al., Symmetrien und Wellenfunktionen von Photonen, die in dreidimensionalen photonischen Bandlücken-Übergittern eingeschlossen sind, Körperliche Überprüfung B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.235141