Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute haben ein Gerät hergestellt, das nicht breiter als ein menschliches Haar ist und Physikern dabei helfen wird, die grundlegende Natur von Materie und Licht zu erforschen. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht im Journal Natur Nanotechnologiekönnte auch die Entwicklung effizienterer Laser unterstützen, die in vielen Bereichen von der Medizin bis zur Fertigung eingesetzt werden.
Das Gerät besteht aus einem speziellen Material, das als photonischer topologischer Isolator bezeichnet wird. Ein photonischer topologischer Isolator kann Photonen, die wellenartigen Teilchen, aus denen Licht besteht, an speziell im Material vorgesehene Schnittstellen leiten und gleichzeitig verhindern, dass diese Teilchen durch das Material selbst gestreut werden.
Aufgrund dieser Eigenschaft können topologische Isolatoren viele Photonen kohärent wie ein Photon wirken lassen. Die Geräte können auch als topologische „Quantensimulatoren“ eingesetzt werden, Miniaturlabore, in denen Forscher Quantenphänomene untersuchen können, also die physikalischen Gesetze, die Materie auf sehr kleinen Skalen bestimmen.
„Der von uns entwickelte photonische topologische Isolator ist einzigartig. Er funktioniert bei Zimmertemperatur. Das ist ein großer Fortschritt. Bisher konnte man diesen Bereich nur mit großen, teuren Geräten untersuchen, die Materie im Vakuum superkühlen. Viele Forschungslabore haben keinen Zugang zu solchen Geräten, daher könnte unser Gerät mehr Menschen ermöglichen, diese Art von physikalischer Grundlagenforschung im Labor durchzuführen“, sagte Wei Bao, Assistenzprofessor in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am RPI und leitender Autor der Studie.
„Dies ist außerdem ein vielversprechender Fortschritt bei der Entwicklung von Lasern, die weniger Energie für den Betrieb benötigen, da die Schwelle unseres Geräts bei Raumtemperatur – die für den Betrieb erforderliche Energiemenge – siebenmal niedriger ist als bei zuvor entwickelten Geräten mit niedriger Temperatur“, fügte Bao hinzu.
Die RPI-Forscher entwickelten ihr neuartiges Gerät mit der gleichen Technologie, die auch in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Mikrochips eingesetzt wird. Dabei werden unterschiedliche Materialien Atom für Atom, Molekül für Molekül geschichtet, um eine gewünschte Struktur mit bestimmten Eigenschaften zu erzeugen.
Um ihr Gerät zu entwickeln, züchteten die Forscher ultradünne Platten aus Halogenidperowskit, einem Kristall aus Cäsium, Blei und Chlor, und ätzten darauf ein Polymer mit einem Muster. Sie legten diese Kristallplatten und das Polymer zwischen Schichten aus verschiedenen Oxidmaterialien und formten so schließlich ein Objekt mit einer Dicke von etwa 2 Mikrometern und einer Länge und Breite von 100 Mikrometern (ein durchschnittliches menschliches Haar ist 100 Mikrometer breit).
Als die Forscher das Gerät mit Laserlicht bestrahlten, erschien an den im Material vorgesehenen Schnittstellen ein leuchtendes dreieckiges Muster. Dieses durch das Design des Geräts vorgegebene Muster ist das Ergebnis topologischer Eigenschaften von Lasern.
„Quantenphänomene bei Raumtemperatur untersuchen zu können, ist eine spannende Aussicht. Die innovative Arbeit von Professor Bao zeigt, wie uns die Materialtechnik helfen kann, einige der größten Fragen der Wissenschaft zu beantworten“, sagte Shekhar Garde, Dekan der RPI School of Engineering.
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Topologisches Tal Hall-Polaritonenkondensation, Natur Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01674-6