Diese Diamanten feuern Lichtpulse wie ein Quanten-Maschinengewehr
Forschende der TU Wien entdecken Quanten-Maschinengewehr: Schwarze Diamanten feuern präzise Mikrowellen-Pulse durch Unordnung.
Durch die Kopplung von Lichtteilchen können überraschende Signale entstehen.
Foto: Oliver Diekmann / TU Wien
Zwei Kerzen strahlen doppelt so stark wie eine. Und zehn Kerzen leuchten zehnmal so intensiv. Diese Regel erscheint Ihnen vermutlich völlig logisch. Doch in der Welt der Quantenphysik verliert diese banale Gewissheit ihre Gültigkeit. Unter bestimmten Bedingungen können Quantenteilchen ihre Kräfte bündeln. Wenn man sie in einen Zustand hoher Energie versetzt, geben sie diese beim Zurückfallen in den Grundzustand ab. Koppelt man viele dieser Teilchen miteinander, entsteht ein Lichtpuls, der die Summe der Einzelbeiträge weit übersteigt.
Fachleute nennen dieses Phänomen Superradianz. Die Stärke des Pulses steigt dabei mit dem Quadrat der Teilchenanzahl. Es ist eine kollektive Emission. Alle Teilchen strahlen ihre Energie blitzartig und im Gleichschritt ab. Ein Team der TU Wien und des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan hat nun eine völlig neue Variante dieses Effekts entdeckt. In unregelmäßigen, schwarzen Diamanten beobachteten sie ein Verhalten, das an ein Maschinengewehr erinnert: Auf einen ersten Puls folgen viele weitere, perfekt regelmäßige Signale.
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Die dunkle Seite der Edelsteine
Bei den verwendeten Objekten handelt es sich nicht um die klaren Diamanten, die Sie aus dem Juweliergeschäft kennen. Die Forschenden nutzen Steine mit einer extrem hohen Dichte an Fehlstellen. „Wir untersuchen Diamanten – aber nicht die glasklare Sorte, die man sonst kennt. Unsere Diamanten haben Billionen von Fehlstellen, an denen Stickstoff-Atome sitzen. Dadurch sind sie nicht durchsichtig, sondern schwarz“, erklärt Wenzel Kersten vom Atominstitut der TU Wien.
Diese Defekte im Kristallgitter besitzen einen sogenannten Spin. Das ist ein quantenphysikalischer Drehimpuls. Er kann wie ein kleiner Kompasszeiger entweder nach oben oder nach unten zeigen. Die Forschenden bringen den Diamanten in einen Mikrowellen-Resonator. Mithilfe von Magnetfeldern und Mikrowellen versetzen sie eine enorme Zahl dieser Defekte in einen Zustand mit hoher Energie. Die Spins zeigen dann nach oben.
Dieser Zustand ist jedoch nicht stabil. Er gleicht einem schneebedeckten Hang. Ein winziger Auslöser genügt, um eine Lawine auszulösen. Wenn das System kippt, wird die gespeicherte Energie schlagartig frei. Es entsteht eine „Superradianz-Lawine“.
Das Rätsel der folgenden Pulse
Bisher entsprach das den Erwartungen der Theorie. Doch die Messungen zeigten mehr. „Das war physikalisch schon sehr interessant, aber für uns war es eigentlich erst der Beginn der Geschichte“, sagt Wenzel Kersten. Nach dem ersten großen Puls bemerkte das Team eine kurze Pause von einigen Mikrosekunden. Danach folgte jedoch kein Verstummen, sondern eine ganze Serie weiterer Mikrowellen-Pulse.
Oliver Diekmann von der TU Wien betont die Überraschung in der Fachwelt: „Das war höchst unerwartet und passte auch zu keiner bestehenden Theorie von Superradianz.“ Normalerweise sollte das System nach dem ersten Blitz „leergepumpt“ sein. Dass es von selbst wieder zu feuern beginnt, ohne dass Energie von außen nachgeführt wird, war ein Novum. Es ist so, als würde sich das unkoordinierte Zirpen vieler Grillen plötzlich zu einem gemeinsamen, rhythmischen Knall vereinen – und das immer wieder.
Verblüffende Erkenntnis
Die Suche nach der Ursache führte die Forschenden zu einer verblüffenden Erkenntnis. Normalerweise sind Quanteneffekte in sauberen, perfekt geordneten Systemen am stärksten. Die hier verwendeten schwarzen Diamanten sind jedoch das Gegenteil: Sie sind unordentlich. Die Defekte sitzen nicht an exakten Plätzen. Sie haben alle leicht unterschiedliche Energien. Zudem sind sie auf komplizierte Weise miteinander gekoppelt.
„Aber wie sich zeigt ist es genau diese Unordnung, die für die wohlgeordneten Mikrowellen-Pulse verantwortlich ist“, sagt Elena Redchenko (TU Wien). Bei der ersten großen Entladung geben nämlich nur die Defekt-Stellen ihre Energie ab, die exakt die passende Frequenz für den Hohlraum-Resonator besitzen. In der Verteilung der Energien entsteht dadurch eine Lücke. Fachleute sprechen von einem „spektralen Loch“.
Elena Redchenko, Jörg Schmiedmayer, Oliver Diekmann, Nikolaus de Zordo und Wenzel Kersten (v.l.n.r), beim Mikrowellen-Resonator.
Foto: TU Wien
Die Rolle der Unordnung
An diesem Punkt kommt die Unordnung ins Spiel. Da die Defekte so eng beieinanderliegen, tauschen sie ständig Energie untereinander aus. Dieser Prozess füllt das leere Energiefenster wieder auf. Andere Defekte geben Energie ab oder nehmen welche auf, bis sie wieder genau den Wert erreichen, der für einen neuen Puls nötig ist.
Nikolaus de Zordo von der TU Wien erklärt den Vorgang so: „Wenn dieser Energie-Zustand dann irgendwann in ausreichendem Maß besetzt ist, dann kommt es erneut zu einer Entladung, ein neuer Mikrowellen-Puls entsteht. Und auch dieser Puls ist kohärent, wie ein Laser – die ausgesendeten Mikrowellen-Photonen schwingen also alle im selben Takt.“
Ein System mit Selbstantrieb
Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach. Das System generiert seine Pulse quasi im Alleingang durch interne Wechselwirkungen. Prof. William Munro vom OIST fasst es zusammen: „Im Wesentlichen treibt sich das System selbst an. Diese Spin-Spin-Wechselwirkungen lösen eine Serie von Mikrowellen-Übergängen aus und offenbaren damit eine grundlegend neue Form kollektiven Quantenverhaltens.“
In den Versuchen hielt dieses „Masing“ – also das laserartige Aussenden von Mikrowellen – bis zu einer Millisekunde an. Das ist für Quantenverhältnisse eine lange Zeit. Die Entdeckung, dass direkte Wechselwirkungen zwischen den Teilchen nicht nur die Kohärenz stören, sondern eine solche Dynamik erst ermöglichen, könnte die Entwicklung neuer Technologien beeinflussen.
Potenzial für die Technik von morgen
Die Anwendungsmöglichkeiten für diese Entdeckung sind vielfältig. Die stabilen, selbstinduzierten Pulse könnten als hochpräzise Taktgeber in der Elektronik dienen. Besonders in der Sensorik sehen die Beteiligten große Chancen.
Prof. Jörg Schmiedmayer (VCQ / TU Wien) erläutert die Perspektiven: „Man könnte damit möglicherweise winzige Änderungen in elektrischen oder magnetischen Feldern messen. Solche Fortschritte könnten medizinische bildgebende Verfahren verbessern, Beiträge für Materialforschung liefern, oder auch in der Umwelt-Analytik zum Einsatz kommen.“
In der Vergangenheit galten die Wechselwirkungen zwischen den Spins oft als Störfaktor, der Quantenzustände zerstört. Die Arbeit des Teams zeigt nun, dass man diese Kräfte gezielt nutzen kann. Unordnung ist in diesem Fall kein Hindernis, sondern die notwendige Zutat für ein völlig neues physikalisches Verhalten. Grundsätzlich lassen sich solche Erkenntnisse der Quantentheorie immer wieder in vielversprechende Technologien umsetzen.
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