Künstliche Magnetfelder für Photonen

In der modernen Informationstechnologie gibt es eine recht klare Arbeitsteilung zwischen Lichtteilchen (Photonen), mit denen man Daten schnell und zuverlässig über weite Distanzen überträgt, und Elektronen, die in den Computerchips die Datenverarbeitung übernehmen. Dass man Photonen nicht für die Datenverarbeitung verwendet, liegt unter anderem daran, dass sie sich nicht so leicht steuern lassen wie Elektronen. Da sie keine elektrische Ladung besitzen, kann man sie nicht ohne Weiteres mithilfe von elektrischen oder magnetischen Feldern kontrollieren. ETH-Forschende um Ataç Imamoğlu, Professor am Institut für Quantenelektronik, haben nun in einem Experiment gezeigt, wie man künstliche Magnetfelder erzeugen und so über Umwege Photonen dennoch steuern kann.

Polaritonen als Marschgepäck

Zwar ist es unmöglich, Photonen eine tatsächliche elektrische Ladung zu geben, doch man kann ihnen gewissermassen vorgaukeln, sie hätten eine. Seit einigen Jahren beispielsweise entwickeln Forscher Materialien, deren optische Eigenschaften während der Herstellung derart gestaltet werden, dass sich die Photonen darin so bewegen, als «fühlten» sie ein elektrisches oder magnetisches Feld. Der Nachteil dieser Technik besteht allerdings darin, dass man die so herbeigeführten künstlichen Felder nicht oder zumindest nicht sehr schnell verändern kann. Genau dies wäre aber nötig, wenn man mit Photonen etwa Computer oder andere Bauteile in der Informationstechnik konstruieren will.

«Unser Ansatz beruht nicht auf einer ausgefeilten Struktur des optischen Materials», erklärt Emre Togan, Oberassistent in Imamoğlus Forschungsgruppe, «sondern auf der Nutzung sogenannter Polaritonen.» Wenn Photonen in ein Material eindringen, dessen Elektronen sich von den Lichtwellen verschieben oder «polarisieren» lassen (ein sogenanntes dielektrisches Material), so bilden sie Polaritonen, also aneinander gekoppelte Licht- und Polarisierungswellen. Letztere sind auch als Exzitonen bekannt, in denen ein Elektron und ein «Loch», also ein fehlendes Elektron in der Energiestruktur, durch die elektrische Anziehungskraft aneinander gebunden sind.

Photonen, die sich im Vakuum frei ausbreiten würden, werden in Polaritonen umgewandelt und ziehen die Exzitonen gleichsam hinter sich her, wenn sie sich in dem Halbleiter fortbewegen. Die eigentlich gegenüber elektromagnetischen Feldern unempfindlichen Photonen können nun über dieses Marschgepäck indirekt beeinflusst werden, indem man das von Imamoğlu verwendete Halbleitermaterial elektrischen und magnetischen Feldern aussetzt.

Konstantes Eichpotenzial

«Der kombinierte Effekt der elektrischen und magnetischen Felder auf die Polaritonen führt dann zu einem sogenannten Eichpotenzial», fasst Hyang-Tag Lim zusammen, der in Imamoğlus Labor als Postdoktorand arbeitet. Vergleichbar ist ein solches Eichpotenzial mit einer kippbaren Hebebühne. Stellt man ein Fahrzeug auf eine solche Bühne und fährt diese hoch, so ändert sich die potenzielle (also Höhen-) Energie des Fahrzeugs, wegrollen wird es aber nicht. Erst wenn man die Bühne kippt und so einen Höhenunterschied entlang der Bühne erzeugt, wird das Fahrzeug sich bewegen. Auf ähnliche Weise bildet ein Eichpotenzial erst dann ein effektives magnetisches Feld, wenn es sich räumlich ändert.

In ihrem jetzt, in der Fachzeitschrift Nature Communications, veröffentlichten Experiment ist es Imamoğlu und seinen Mitarbeitern in einem ersten Schritt gelungen, ein konstantes Eichpotenzial für die Photonen zu erzeugen. Um dieses Potenzial nachzuweisen, bauten die Forscher einen Miniatur-Interferometer. In einem Interferometer spaltet man dazu Licht zunächst in zwei Strahlen auf, die sich dann zum Beispiel in unterschiedlichen Materialien ausbreiten. Danach werden die Strahlen wieder zusammengeführt, und die daraus resultierende Interferenz – dass sich also Wellenberge und -täler gegenseitig auslöschen, zwei aufeinandertreffende Wellenberge sich aber verstärken – wird am Ausgang des Interferometers gemessen.   

Aus dem so entstandenen Interferenzmuster konnten die Physiker schliessen, dass auf die Photonen im Halbleitermaterial tatsächlich ein Eichpotenzial wirkte. «Das Schöne daran ist, dass wir dieses Eichpotenzial mithilfe der Felder beliebig kontrollieren können», sagt Imamoğlu. Obwohl die ETH-Forscher Photonen in einem Halbleitermaterial benutzten, ist die Methode, die sie jetzt demonstriert haben, sehr allgemein. Sie ist auf jedes System anwendbar, in dem Photonen stark an ein polarisierbares Medium gekoppelt sind, wie etwa ein Gas aus Rydberg-Atomen. 

Demnächst wollen die Forscher daran arbeiten, noch stärkere Eichpotenziale zu realisieren, die räumlich variieren und mit denen in Zukunft sehr grosse künstliche Magnetfelder für Photonen erzeugt werden könnten. Damit könnten dann mit Photonen auch Phänomene untersucht werden, die für gewöhnlich nur mit Elektronen unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu beobachten sind, wie etwa der Quanten-Hall-Effekt.