Fundamentale Teilcheneigenschaften sichtbar gemacht

Effekte der Quantenphysik sind schwer fassbar. Einem Forscher­team um Cornelia Denz von der Uni Münster ist es jetzt 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 Wellen­funktionen aus, die in der Quanten­physik den Spin von Teilchen beschreiben. Die Wissen­schaftler konnten erst­mals Quanten­zustände mit ganz­zahligem Spin im Licht durch spezielle optische Wirbel sicht­bar machen. Andere Forscher hatten zuvor nur halb­zahlige Spin-Systeme 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 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“, so Denz. „Ein großer Vorteil dieser künst­lichen optischen Kristalle ist, dass sie die quanten­mecha­nischen Eigen­schaften als Licht­inten­sität im wahren Wort­sinn sicht­bar machen.“

WWU / RK