Wenn sich Quantenflüssigkeiten vermischen

Forscher des Paul-Drude-Instituts in Berlin und des Instituto Balseiro in Bariloche, Argentinien, haben gezeigt, dass die Vermischung von begrenzten Quantenflüssigkeiten aus Licht und Gigahertz-Schall zur Entstehung eines schwer fassbaren Phonoriton-Quasiteilchens führt, das zum Teil ein Lichtquant, ein Schallquant und ein Halbleiter-Exziton ist. Diese Entdeckung eröffnet einen neuartigen Weg zur kohärenten Umwandlung von Informationen zwischen optischen und Mikrowellenbereichen, was potenzielle Vorteile für die Bereiche Photonik, Optomechanik und optische Kommunikationstechnologien mit sich bringt.

Die Arbeit des Forscherteams ist von einem alltäglichen Phänomen inspiriert: Die Energieübertragung zwischen zwei gekoppelten Oszillatoren, wie etwa zwei durch eine Feder verbundene Pendel. Unter bestimmten Kopplungs­bedingungen, die als starker Kopplungs­zustand (SC) bezeichnet werden, schwingt die Energie kontinuierlich zwischen den beiden Pendeln, die nicht mehr unabhängig sind, da ihre Frequenzen und Abklingraten nicht denen der ungekoppelten Pendel entsprechen. Bei den Oszillatoren kann es sich auch um photonische oder elektronische Quantenzustände handeln: Der SC-Zustand ist in diesem Fall von grundlegender Bedeutung für die Kontrolle und den Austausch von Quantenzuständen.

Im obigen Beispiel wird davon ausgegangen, dass die beiden Pendel die gleiche Frequenz haben, also in Resonanz sind. Hybride Quantensysteme erfordern jedoch eine kohärente Informations­übertragung zwischen Oszillatoren mit sehr unterschiedlichen Frequenzen. Ein wichtiges Beispiel hierfür sind Netzwerke von Quantencomputern. Während die vielver­sprechendsten Quantencomputer mit Mikrowellen-Qubits arbeiten, wird die Quanteninformation effizient mit Photonen im nahen Infrarot übertragen. Man benötigt also eine bidirektionale und kohärente Übertragung von Quanten­information zwischen diesen Bereichen. Die direkte Umwandlung zwischen Mikrowellen-Qubits und Photonen ist in vielen Fällen sehr ineffizient. Hier besteht eine Alternative darin, die Umwandlung durch ein drittes Teilchen zu vermitteln, das sowohl an die Mikrowellen-Qubits als auch an die Photonen effizient koppeln kann. Ein guter Kandidat sind Gigahertz-Schwingungen des Gitters.

Die theoretischen Grundlagen für den SC zwischen Licht und Phononen wurden 1982 von Keldysh und Ivanov gelegt, die vorhersagten, dass Halbleiter­kristalle Photonen und Phononen über ein weiteres Quasiteilchen mischen können: das Exziton-Polariton. Polaritonen entstehen durch die starke Kopplung zwischen Photonen und Exzitonen. Wenn ein Phonon ins Spiel kommt, kann es zwei Polariton-Oszilla­toren koppeln, deren Frequenzen sich genau um die Frequenz des Phonons unterscheiden. Wenn die Kopplung groß genug ist, im SC-Bereich, führt sie zur Bildung eines neuen Quasiteilchens – des Phonoritons, das eine Mischung aus einem Exziton, einem Photon und einem Phonon ist. Aufgrund der strengen experimentellen Anforderungen für die Entstehung von Phonoritonen gibt es jedoch nur sehr wenige Berichte über die Bildung von Phonoritonen. Abgesehen von der wissenschaftlichen Bedeutung der Entdeckung dieser neuen grundlegenden Halbleiter­anregung kann das Phonoriton ein neues vielver­sprechendes Zwischenprodukt für die kohärente Frequenz­umwandlung von Mikrowellen in optische Signale sein.

In ihrer Arbeit erzeugten Kuznetsov und Kollegen Polaritonen in einem gemusterten Mikrokavitäts­resonator. Die mikrometer­großen, dickeren Bereiche innerhalb des Mikrokavitäts­resonators wirken als hybride Fallen sowohl für 370-Terahertz-Polaritonen als auch für Phononen mit fünf bis zwanzig Gigahertz. Die Fallen verstärken die Wechsel­wirkung zwischen den beiden Teilchen um ein Vielfaches, was eine wichtige Voraussetzung für die Bildung von Phonoritonen ist. Durch optische Injektion weiterer Polaritonen in die Falle erzeugte das Team zwei Polaritonenkondensate, die sich durch eine sehr helle und spektral schmale Emissionslinie auszeichnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern haben Polaritonen starke Wechsel­wirkungen zwischen den Teilchen, was ihnen den Namen Quantenflüssigkeiten des Lichts einbrachte. 

Aufgrund dieser Wechselwirkungen kann die Energieaufspaltung zwischen den beiden Lichtflüssigkeiten durch Steuerung ihrer Dichten mit einem externen Laser genau eingestellt werden. Wenn die Energieaufspaltung mit der Phononen­energie übereinstimmt, synchronisieren sich die beiden Polaritonen­flüssigkeiten. Die Synchronisation ist auf eine Kombination aus nichtlinearen Polariton-Polariton-Wechsel­wirkungen und dem effizienten Transfer von Polaritonen zwischen den Lichtflüssigkeiten zurückzuführen, der durch die Absorption und Emission von Phononen vermittelt wird. Es zeigt sich, dass die phononen­induzierte Kopplung zwischen Polariton-Zuständen deren Zerfallsrate übersteigt, was die Entstehung des Phonoritons markiert.

Die Forscher verwendeten einen piezo­elektrischen Wandler, der auf der Mikrokavität und um die Falle herum hergestellt wurde, um das Gerät mit Mikrowellen zu steuern und 7-Gigahertz-Phononen in die Falle zu injizieren. In Gegenwart der injizierten Phononen verwandelt sich das Phonoritonen­spektrum in einen Kamm aus schmalen Resonanzen. Interessanter­weise und im Gegensatz zu herkömmlichen opto­mechanischen Systemen, bei denen Phononen direkt mit Photonen wechselwirken und die Stärke der Wechselwirkung nur von der Photonenzahl abhängt, skaliert die Wechselwirkung hier sowohl mit der Polaritonen- als auch mit der Phononen­population. So konnten photonische, elektronische und Phononen­resonanzen von strukturierten Halbleiter-Mikro­kavitäten maßgeschneidert werden, um Phonoritonen sowie die kohärente bidirek­tionale Mikro­wellen-zu-Optik-Konversion in einem Halbleiter­system zu demonstrieren.

PDI / JOL