Lichtdeeltjes "voelen" elkaar normaal gesproken niet omdat er geen interactie tussen hen optreedt. Onderzoekers van ETH zijn er nu in geslaagd om fotonen in een halfgeleidermateriaal zo te manipuleren dat ze elkaar toch afstoten.

Twee lichtstralen die elkaar kruisen, buigen elkaar niet af. Dat is omdat, volgens de wetten van de kwantumfysica, er is geen interactie tussen lichtdeeltjes of fotonen. Daarom, bij een botsing gaan twee fotonen gewoon door elkaar heen in plaats van van elkaar af te stuiteren - tenzij men ze op de een of andere manier helpt. In feite, onderzoekers proberen al geruime tijd technieken te vinden om fotonen elkaar te laten 'voelen'. De hoop is dat dit zal leiden tot veel nieuwe mogelijkheden voor zowel onderzoek als praktische toepassingen. Atac Imamoglu, professor aan het Institute for Quantum Electronics aan de ETH in Zürich, en zijn medewerkers hebben nu een volgende belangrijke stap gezet in de richting van de realisatie van sterk interagerende fotonen. Hun onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen .

Transformatie in polaritonen

"Sterk op elkaar inwerkende fotonen zijn een soort heilige graal in ons onderzoeksgebied, fotonica", legt Aymeric Delteil uit, die als postdoc in het laboratorium van Imamoğlu werkt. Om lichtdeeltjes elkaar af te laten stoten, hij en zijn collega's moeten tot het uiterste gaan, Hoewel. Met behulp van een optische vezel, ze sturen korte laserpulsen naar een optische resonator, waarbinnen het licht sterk gefocust is en uiteindelijk een halfgeleidermateriaal raakt. Dat materiaal (geproduceerd door Imamoğlu's collega's in Würzburg en St. Andrew's in Schotland) wordt in een cryostaat – een soort extreem krachtige koelkast – gekoeld tot min 269 graden Celsius. Bij die lage temperaturen kunnen de fotonen zich combineren met elektronische excitaties van het materiaal. Die combinatie resulteert in zogenaamde polaritonen. Aan de andere kant van het materiaal worden de polaritons weer fotonen, die dan de resonator kan verlaten.

Omdat er elektromagnetische krachten werken tussen de elektronische excitaties, er ontstaat ook een wisselwerking tussen de polaritonen. "Dat fenomeen hebben we al een tijdje geleden kunnen detecteren", zegt Imamoglu. "Echter, destijds was het effect zo zwak dat alleen de interacties tussen een groot aantal polaritonen een rol speelden, maar niet de paarsgewijze afstoting tussen individuele polaritonen."

Correlaties signaleren interacties

In hun nieuwe experiment konden de onderzoekers nu aantonen dat enkele polaritonen - en dus indirect, de fotonen die erin zitten – kunnen, inderdaad, communiceren met elkaar. Dit kan worden afgeleid uit de manier waarop de fotonen die de resonator verlaten met elkaar correleren. Om die zogenaamde kwantumcorrelaties te onthullen, men meet de waarschijnlijkheid dat een tweede foton de resonator kort na een ander verlaat. Als de fotonen elkaar in de weg zitten door hun polaritons in de halfgeleider, die kans zal kleiner zijn dan je zou verwachten van niet-interagerende fotonen.

In het uiterste geval moet er zelfs sprake zijn van een "fotonenblokkade", een effect dat Imamoğlu 20 jaar geleden al postuleerde. Een foton in de halfgeleider dat een polariton heeft gecreëerd, verhindert dan volledig dat een tweede foton het materiaal binnendringt en zelf in een polariton verandert. "We zijn er nog niet helemaal uit", Imamoglu geeft toe, "maar ondertussen zijn we verder verbeterd op ons resultaat dat zojuist is gepubliceerd. Dat betekent dat we op de goede weg zijn." Het langetermijndoel van Imamoğlu is om fotonen zo sterk met elkaar te laten interageren dat ze zich gaan gedragen als fermionen – zoals kwantumdeeltjes, met andere woorden, die nooit op dezelfde plek te vinden zijn.

Interesse in sterk op elkaar inwerkende polaritonen

In eerste instantie, Imamoğlu is niet geïnteresseerd in toepassingen. "Dat is echt fundamenteel onderzoek, "zegt hij. "Maar we hopen wel te kunnen, op een dag, om polaritons te creëren die zo sterk op elkaar inwerken dat we ze kunnen gebruiken om nieuwe effecten in de kwantumfysica te bestuderen die anders moeilijk waar te nemen zijn." De natuurkundige is vooral geïnteresseerd in situaties waarin de polaritonen ook in contact staan ​​met hun omgeving en er energie mee uitwisselen Die energie-uitwisseling, gecombineerd met de interacties tussen de polaritonen, zou moeten, volgens berekeningen van theoretische fysici. leiden tot verschijnselen waarvoor tot nu toe slechts rudimentaire verklaringen bestaan. Experimenten zoals die van Imamoğlu kunnen, daarom, helpen om de theoretische modellen beter te begrijpen.