Emergentes Verhalten, das bei sich selbst beobachtet wird

Sep 25, 2023

18. Januar 2023

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von Sam Sholtis, Pennsylvania State University

Lichtteilchen – Photonen –, die durch speziell strukturiertes Glas zur Wechselwirkung miteinander gezwungen werden, zeigen ein Verhalten, das an den „fraktionierten Quanten-Hall-Effekt“ erinnert, ein Phänomen, das 1998 mit Elektronen den Nobelpreis für Physik erhielt. Ein Forscherteam an der Penn State University hat nun gezeigt, dass die Bewegung des Lichts eines extrem leistungsstarken Lasers beim Durchgang durch das Glas „fraktioniert“ wird, eine neu entstehende Eigenschaft, die zu unserem grundlegenden Verständnis der Physik beiträgt, die in komplexen Umgebungen entsteht.

„Elektronen sind geladene Teilchen und ihre Ladung ist eine grundlegende Naturkonstante“, sagte Mikael Rechtsman, außerordentlicher Professor für Physik an der Penn State und Leiter des Forschungsteams. „Beim fraktionierten Quanten-Hall-Effekt wurde gezeigt, dass sich Elektronen, die unter bestimmten Bedingungen miteinander interagieren, wie Teilchen mit einem Bruchteil dieser Ladung verhalten und möglicherweise für robusteres Quantencomputing verwendet werden können. Wir haben nun ein Phänomen demonstriert, das zwar grundlegend ist sich von der elektronischen Version unterscheidet, legt nahe, dass eine andere Art der Fraktionierung bei Licht auftreten kann, das mit sich selbst interagiert.“

Im Gegensatz zu Elektronen interagieren Photonen normalerweise nicht miteinander, da sie keine Ladung haben. Wenn Sie jedoch über einen ausreichend starken Laser verfügen und ihn durch ein Material leiten, das auf diese Leistung reagiert, verhalten sich die Photonen so, als würden sie interagieren, da das Material effektiv die Interaktion zwischen ihnen vermittelt. Mit anderen Worten: Die Photonen beeinflussen sich gegenseitig, indem sie das Material beeinflussen. Die Forscher entwerfen das Material – Spezialglas mit einer Reihe komplex strukturierter „Wellenleiter“, die wie optische Fasern durch das Material verlaufen – so, dass sich die Photonen zu Objekten namens „Solitonen“ zusammenballen.

„Normalerweise breitet sich das Licht eines Lasers von seiner Quelle aus – oder wird gebeugt –, aber Solitonen werden nicht gebeugt“, sagte Rechtsman. „Sie breiten sich etwa mit Lichtgeschwindigkeit durch das Glas aus und behalten dabei eine feste Breite bei.“

Die Wellenleiter werden mit sich wiederholenden Einheiten in zwei Dimensionen erstellt. Zunächst schlängelt sich jeder einzelne Wellenleiter – ähnlich einer optischen Faser – durch das Glas in einem Muster aus Zickzacklinien, die sich periodisch entlang der Richtung des wandernden Lichts wiederholen. Zweitens wiederholen sich Gruppen dieser Fasern, die untereinander identisch sind, über das Glas zu beiden Seiten des Laserstrahls.

In früheren Arbeiten mit einem vergleichsweise leistungsschwachen Laser zeigten die Forscher, dass Solitonen bei der Ausbreitung durch das Glas in Vielfachen ganzer Zahlen über das Wellenleitermuster springen konnten. Sie könnten sich um zwei Einheiten nach rechts bewegen und um eine Einheit vorrücken, was einer Änderung von zwei über eins oder „plus zwei“ gleichkäme. Oder sie könnten zum Beispiel eine Einheit nach links und eine Einheit nach vorne springen, um eine „negative Eins“ zu ändern, aber die Änderung war immer eine ganze Zahl.

„Durch die Erhöhung der Leistung des Lasers sehen wir jetzt geringfügige Veränderungen“, sagte Rechtsman. „Das Soliton könnte sich also um eine Einheit vorwärtsbewegen, während es sich um zwei vorwärtsbewegt – eine Änderung von eins über zwei, also um die Hälfte. Das Interessante ist, dass Elektronen und Photonen zwar völlig unterschiedliche Teilchen sind und die Eigenschaften, die wir messen, völlig unterschiedlich sind.“ , in beiden Fällen sehen wir eine Fraktionierung, wenn wir die Partikel dazu zwingen, immer stärker zu interagieren. Leider werden Glasfaserkabel dadurch nicht automatisch besser, wenn man das weiß, aber wenn man diese entstehende Eigenschaft im Licht sieht, die an die gesehene entstehende Eigenschaft erinnert in Elektronen hilft uns, neu entstehende Phänomene in komplexen physikalischen Umgebungen besser zu verstehen.“

Ein Artikel, der die Experimente beschreibt, erscheint am 12. Januar in der Zeitschrift Nature Physics.

Mehr Informationen: Marius Jürgensen et al., Quantisiertes fraktioniertes Thouless-Pumpen von Solitonen, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01871-x

Zeitschrifteninformationen:Naturphysik

Zur Verfügung gestellt von der Pennsylvania State University