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Quantenphysik: Quantenbillard mit Hybridteilchen

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QuantenphysikQuantenbillard mit Hybridteilchen

Physikern der Uni Würzburg ist es erstmals gelungen, ein besonderes chaotisches System in der Quantennatur abzubilden und zu untersuchen.

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Illustration des „Billard-Tischs"

Über ihre Arbeit in einem internationalen Projekt berichten Prof. Sven Höfling und Christian Schneider nun im Fachmagazin Nature.

Ausgangspunkt des Versuchs ist das Prinzip eines klassischen Billardtischs. In einem internationalen Projekt haben die Forscher in gewisser Weise einen extrem verkleinerten Billardtisch gebaut, auf dem die Kugeln durch Quantenteilchen ersetzt werden. Der „Tisch" besteht in der Realität aus einem kleinen Chip, der im Würzburger Gottfried-Landwehr-Labor für Nanotechnologie hergestellt wurde. Die Banden sind jedoch nicht aus betuchtem Holz, sondern werden durch Licht definiert.

Die australischen Ko-Autoren der am 12. Oktober in Nature veröffentlichten Arbeit können mit einer speziellen Spiegel- und Gitterkonfiguration einen Laserstrahl so formen, dass er die Billardform annimmt. Durch die Anregung per Laser werden Licht-Materie-Hybridteilchen auf dem Tisch erzeugt, welche sich im System ausbreiten. „Sie haben die Eigenschaft, von der Position, wo der Lichtimpuls auf den Chip trifft, wegzufließen", erklärt Schneider. Diese Polaritonen stellen eine Verbindung an der Grenze von Licht und Materie dar. „Es entstehen Mischzustände, die von außen relativ gut zugänglich sind. Ein reines Lichtsystem kann ich von außen nicht so gut beeinflussen", sagt Schneider.

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Eine „runde Ecke" bringt das Chaos ins System
Der Coup beim Billardtisch: Eine Ecke ist mit einer kreisrunden Ausbuchtung versehen. „Wenn die Billardkugel keinen eigenen Spin hat, entspricht der Einfallswinkel an einer normalen Bande dem Ausfallswinkel. Der Lauf der Kugel ist komplett voraussagbar, auch wenn man besonders kräftig anstößt", sagt Christian Schneider. Mit einer „runden Ecke" trifft dies nicht mehr zu. Sie führt dazu, dass die Bewegung der Billardkugel (des Polaritons) nicht mehr voraussagbar ist. Wenn es einmal auf diesen Bereich trifft, sind viele Abprall-Winkel möglich. Mit Hybridteilchen konnte dies in der Quantennatur bisher noch nicht abgebildet werden.

„Es ist wichtig herauszufinden, was passiert, wenn in einem Quantensystem Imperfektionen bestehen", sagt Schneider. Denn auch in Quantenstrukturen möchten Physiker im Endeffekt „eine Information von A nach B schicken". Dies kann in ferner Zukunft unter anderem die Grundlage neuer Wege der Datenübertragung oder -speicherung sein. Was diese Information fehlleiten könnte, ist also von großer Bedeutung. „Solch ein Billardspiel zeigt uns, was passiert." Die Forscher haben also mit dem Billard ein Modell gebaut, um solchen chaotischen Effekten „relativ einfach" auf die Spur zu kommen.

Material aus dem Würzburger Gottfried-Landwehr-Labor
Zudem ist die fundamentale Studie eines chaotischen Systems auch für andere Physiker von Interesse. „Ein Quantenmodell verhält sich immer anders als ein klassisches System. Wenn man dieses chaotische Billard im Quantensystem abbilden und gezielt manipulieren kann, ergibt sich daraus möglicherweise ein besseres allgemeines Verständnis vom Chaos und der Bewegung der Hybridteilchen auf der Quantenebene", sagt Schneider.

Bei dem Material, das die Grundlage des Billardtisches darstellt, handelt es sich um ein Halbleiter-Vielschichtkonzept. Während bei ähnlichen Versuchen bisher beispielsweise Mikrowellen zum Einsatz kamen, kam bei der Miniaturisierung eine der Stärken der Würzburger Physik zum Tragen. „Wir bewegen uns hier im Bereich von einem bis zehn Mikrometern", sagt Prof. Sven Höfling, Leiter des Lehrstuhls für Technische Physik.

Der Chip kann zudem auch in Zukunft für weitere Forschungen vergleichsweise einfach genutzt werden: „Der von uns hergestellte Chip zeigt die Physik. Nun kann man von außen Licht aufbringen und es konfigurieren, wie man möchte", sagt Höfling und ergänzt: „An der Hardware muss nichts geändert werden und ich kann im Prinzip jede beliebige Form aufbringen."

Vergleichsweise einfache Detektion der zerfallenden Teilchen
Ein weiterer wichtiger Faktor bei dem Versuch: Die Forscher schufen ein nicht-hermitesches System. „Das muss man sich so vorstellen: Die Bande des Systems ist nicht unendlich hoch, die Kugel kann auch über den Tisch hinausfliegen – was die Komplexität deutlich erhöht", sagt Prof. Höfling. Es sei gelungen, eine sehr komplexe Physik in dem Versuch abzubilden und genau zu untersuchen.

Nach einiger Zeit zerfallen die Hybridteilchen wieder. Dann sind sie vergleichsweise leicht zu detektieren: „Ich brauche lediglich eine Kamera mit einem Spektrometer", sagt Christian Schneider.

Als nächstes möchten die Würzburger Wissenschaftler versuchen, das Chaos wieder in geordnete Bahnen zu lenken: Sie möchten die beobachteten Effekte nutzbar machen. „Uns interessiert schon die Frage, wie weit man das noch treiben kann", sagt Schneider und nennt dabei konkret den Ansatz, möglicherweise Logik-Schaltungen auf Basis der Bewegung der Hybridteilchen zu bauen.

Publikation:
„Observation of non-Hermitian degeneracies in a chaotic exciton-polariton billiard" by T. Gao, E. Estrecho, K. Y. Bliokh, T. C. H. Liew, M. D. Fraser, S. Brodbeck, M. Kamp, C. Schneider, S. Höfling, Y. Yamamoto, F. Nori, Y. S. Kivshar, A. G. Truscott, R. G. Dall & E. A. Ostrovskaya. Im Internet abrufbar unter: http://dx.doi.org/10.1038/nature15522.

Kontakt:
Dr. Christian Schneider
E-Mail: christian.schneider@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Sven Höfling
Leiter des Lehrstuhls für Technische Physik
E-Mail: sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de

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