Mechanische Schwingungen: Phononenlaser machen Fortschritte
Ein herkömmlicher Laser sendet Lichtteilchen aus, die alle mit derselben Frequenz und Phase schwingen. Diesen mittels "stimulierter Emission" hervorgerufenen Effekt wollen Physiker seit Langem auch auf kohärente Phononen – mechanische Schwingungsquanten – übertragen. Da Schallwellen bei gleicher Frequenz eine deutlich kürzere Wellenlänge aufweisen als Lichtwellen, würde sich ein solches Gerät zum Beispiel für äußerst präzise Messungen oder hoch aufgelöste bildgebende Verfahren in der Medizin eignen.
Gleichzeitig erschweren die vergleichsweise kurzen Wellenlängen von Schallwellen den Bau eines solchen Geräts: Ihretwegen kommt es häufiger zu spontanen Emissionen und nicht zu den gewünschten stimulierten. Wissenschaftler um Ivan Grudinin vom California Institute of Technology in den USA setzten nun einen speziellen akustischen Resonator ein, um dieses Problem zu umgehen [1].
Als Quelle der kohärenten Phononen nutzen sie dabei die quantenmechanischen Übergänge zwischen zwei Photonenzuständen: Zunächst gelangt ein optischer Puls – die "Pumpphotonen" – durch einen Glasfaserleiter in zwei gekoppelte Mikrohohlräume. Dort werden die eingestrahlten Lichtquanten unter bestimmten Bedingungen in Photonen mit geringerer Energie sowie kohärente Phononen mit einer Frequenz von 21 Megahertz umgewandelt. Ab einer bestimmten Pumpleistung werden die Phononen dann verstärkt. Das Verhalten der erzeugten Schwingungsquanten deutet laut den Forschern tatsächlich auf eine stimulierte Emission hin.
Ryan Beardsley und seine Kollegen von der University of Nottingham in Großbritannien verstärkten ebenfalls kohärente Phononen – allerdings im Terahertzbereich [2]. Ihr Ansatz ähnelt einem Quanten-Kaskaden-Laser: Ein Elektron tunnelt in einem Halbleiter von einem so genannten Quantentopf (einer Senke im Potenzialverlauf) zum nächsten, und auf Grund der Energieerhaltung entsteht dabei jeweils ein akustisches Phonon.
In Gegenwart einer starken kohärenten Phononenwelle – erzeugt durch einen starken Laserpuls – sind die emittierten Phononen ebenfalls kohärent. Zwar konnte das Team mit diesem Ansatz hochfrequente Phononen verstärken, einen entsprechenden "Laser" haben sie damit aber noch nicht geschaffen.
Elektromagnetische Wellen und Schallwellen besitzen viele Gemeinsamkeiten. So werden die Schwingungen der Atome, Ionen und Moleküle in einer Schallwelle sowie die Schwingungen der elektrischen und magnetischen Felder in einer Lichtwelle durch die gleiche Wellengleichung beschrieben. Im Rahmen der Quantenmechanik zählen außerdem sowohl Lichtquanten (Photonen) als auch mechanische Schwingungsquanten (Phononen) zu den so genannten Bosonen und gehorchen den gleichen Gesetzen. Aus diesem Grund hoffen Physiker bereits seit vielen Jahren, eines Tages einen Laser auf Basis von Phononen realisieren zu können. (mp)
Gleichzeitig erschweren die vergleichsweise kurzen Wellenlängen von Schallwellen den Bau eines solchen Geräts: Ihretwegen kommt es häufiger zu spontanen Emissionen und nicht zu den gewünschten stimulierten. Wissenschaftler um Ivan Grudinin vom California Institute of Technology in den USA setzten nun einen speziellen akustischen Resonator ein, um dieses Problem zu umgehen [1].
Als Quelle der kohärenten Phononen nutzen sie dabei die quantenmechanischen Übergänge zwischen zwei Photonenzuständen: Zunächst gelangt ein optischer Puls – die "Pumpphotonen" – durch einen Glasfaserleiter in zwei gekoppelte Mikrohohlräume. Dort werden die eingestrahlten Lichtquanten unter bestimmten Bedingungen in Photonen mit geringerer Energie sowie kohärente Phononen mit einer Frequenz von 21 Megahertz umgewandelt. Ab einer bestimmten Pumpleistung werden die Phononen dann verstärkt. Das Verhalten der erzeugten Schwingungsquanten deutet laut den Forschern tatsächlich auf eine stimulierte Emission hin.
Ryan Beardsley und seine Kollegen von der University of Nottingham in Großbritannien verstärkten ebenfalls kohärente Phononen – allerdings im Terahertzbereich [2]. Ihr Ansatz ähnelt einem Quanten-Kaskaden-Laser: Ein Elektron tunnelt in einem Halbleiter von einem so genannten Quantentopf (einer Senke im Potenzialverlauf) zum nächsten, und auf Grund der Energieerhaltung entsteht dabei jeweils ein akustisches Phonon.
In Gegenwart einer starken kohärenten Phononenwelle – erzeugt durch einen starken Laserpuls – sind die emittierten Phononen ebenfalls kohärent. Zwar konnte das Team mit diesem Ansatz hochfrequente Phononen verstärken, einen entsprechenden "Laser" haben sie damit aber noch nicht geschaffen.
Elektromagnetische Wellen und Schallwellen besitzen viele Gemeinsamkeiten. So werden die Schwingungen der Atome, Ionen und Moleküle in einer Schallwelle sowie die Schwingungen der elektrischen und magnetischen Felder in einer Lichtwelle durch die gleiche Wellengleichung beschrieben. Im Rahmen der Quantenmechanik zählen außerdem sowohl Lichtquanten (Photonen) als auch mechanische Schwingungsquanten (Phononen) zu den so genannten Bosonen und gehorchen den gleichen Gesetzen. Aus diesem Grund hoffen Physiker bereits seit vielen Jahren, eines Tages einen Laser auf Basis von Phononen realisieren zu können. (mp)
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