Quantenkondensation mit Schall kontrollieren
Akustische Anregung ermöglicht kontrollierte Kondensation von Licht und Materie auf einem Chip.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Alexander Kuznetsov am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) in Berlin hat einen grundlegend neuen Ansatz zur Kontrolle der Kondensation hybrider Licht-Materie-Teilchen demonstriert. Durch kohärente akustische Anregung, die die Energieverteilung einer Halbleiter-Mikrokavität dynamisch verändert, gelang es den Forschenden, einen makroskopischen Quantenzustand deterministisch in seine energetisch niedrigste Konfiguration zu lenken. Die Ergebnisse etablieren eine Strategie zur gezielten Erzeugung von Nichtgleichgewichts-Quantenzuständen und eröffnen Perspektiven für ultraschnelle, abstimmbare photonische Technologien.
In Zusammenarbeit mit langjährigen Partnern vom Nationalen Rat für wissenschaftliche und technische Forschung (CONICET) sowie vom Centro Atómico Bariloche und dem Instituto Balseiro in Argentinien realisierte das Team experimentell ein universelles Schema zur selektiven Übertragung von Populationen innerhalb eines mehrstufigen Quantensystems mithilfe starker zeitperiodischer Modulation.
Im Mittelpunkt der Studie stehen Exziton-Polaritonen – Quasiteilchen, die entstehen, wenn in einer Mikrokavität eingeschlossenes Licht stark mit elektronischen Anregungen in einem Halbleiter koppelt. Da sie sich wie Bosonen verhalten, können Exziton-Polaritonen eine Bose-Einstein-Kondensation im Nichtgleichgewicht durchlaufen und dabei einen kohärenten makroskopischen Quantenzustand bilden, der Licht mit laserähnlichen Eigenschaften emittiert.
Das Beste aus zwei Welten: hybride Exzitonen
Ungewöhnliche Exzitonen
Elektronen in Festkörpern zuschauen
In den Experimenten modulierte eine akustische Welle im Gigahertz-Frequenzbereich periodisch die Energieniveaus des Systems. Dadurch wurde die Energielandschaft des Kondensats neu geformt und die Population gezielt in den energetisch niedrigsten Zustand gelenkt. Die resultierende Emission zeigte ein einzelnes dominantes Niveau mit einem Kamm spektraler Linien bei Gigahertz-Wiederholraten sowie Korrelationen auf der Pikosekunden-Zeitskala.
Der zugrunde liegende Mechanismus lässt sich im Rahmen der kohärenten Floquet-Anregung beschreiben. Die periodische Modulation verändert das Gleichgewicht zwischen exzitonischen und photonischen Anteilen und ermöglicht so eine kontrollierte Besetzung der Quantenzustände. Ein theoretisches Modell reproduziert die beobachtete Dynamik und führt den Populationstransfer auf das Zusammenspiel von bosonischer Stimulation und adiabatischen Übergängen vom Landau-Zener-Typ zurück.
Die Kontrolle von Quantensystemen im Nichtgleichgewicht gehört zu den zentralen Herausforderungen der Festkörperphysik. Durch den Nachweis der deterministischen Steuerung eines getriebenen Vielteilchenkondensats in einer Festkörperplattform etabliert die Studie Halbleiter-Mikrokavitäten als Plattform für dynamisches Quantum Engineering und eröffnet neue Wege zu abstimmbaren, ultraschnellen kohärenten Lichtquellen mit Relevanz für Photonik und Optoelektronik. [PDI / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
A. S. Kuznetsov, I. Carraro-Haddad, G. Usaj, et al., Ground-state exciton–polariton condensation via coherent Floquet driving, Nat. Photon., 11. März 2026; DOI: 10.1038/s41566-026-01855-w - Control of Elementary Excitations by Acoustic Fields (Alberto Hernández-Mínguez), Department of Semiconductor Spectroscopy, Paul-Drude-Institut, Berlin
