Eine Gruppe von US-Wissenschaftlern hat ein nur weniges Mikrometer großes Miniatur-Labor hergestellt. Mit dem sogenannten topologischen Quantensimulator lassen sich die fundamentalen Gesetze der Quantenphysik untersuchen. Das Besondere: Der neue Simulator arbeitet bei Raumtemperatur, was die Erforschung von Quanteneffekten deutlich vereinfacht.
„Der photonische topologische Isolator, den wir geschaffen haben, ist einzigartig. Er funktioniert bei Raumtemperatur. Das ist ein großer Fortschritt. Bisher konnte man diesen Zustand nur mit großen, teuren Geräten erforschen, die Materie im Vakuum abkühlen“, so Studienleiter Wei Bao vom Rensselaer Polytechnic Institute in New York . „Viele Forschungslabore haben keinen Zugang zu solchen Geräten. Unser Gerät könnte es also mehr Menschen ermöglichen, diese Art der physikalischen Grundlagenforschung im Labor zu betreiben“.
Neuartige Struktur aus Halbleiter-Schichten
Um ihre winzige Quantenmaschine herzustellen, nutzten die Forscher die gleichen Techniken, die in der Halbleiterindustrie zur Chipfertigung eingesetzt werden. So stellten sie atomar dünne Schichten aus Halbleiter-Kristallen her und ätzen darauf ein Polymer-Muster. Durch das Aufeinanderschichten verschiedener Materialien entstand so eine nur 2 Mikrometer dicke und 100 Mikrometer lange Nanostruktur.
Wenn man diese Struktur mit Laserlicht bestrahlt, zeigt sich an den eingebauten Grenzflächen ein leuchtendes, dreieckiges Muster. Dieses Muster ist ein Resultat der besonderen topologischen Eigenschaften des Materials, die Licht in gewünschter Weise leiten und gleichzeitig verhindern, dass es sich im Material selbst streut. „Es ist auch ein vielversprechender Schritt in der Entwicklung von Lasern, die weniger Energie benötigen, um zu funktionieren, da der Schwellenwert unseres Raumtemperaturgeräts – die Energiemenge, die benötigt wird, um es zum Laufen zu bringen – siebenmal niedriger ist als bei bisher entwickelten Niedertemperaturgeräten“, so Bao weiter.
Die Forscher hoffen nun mit ihrer Entwicklung einen wertvollen Beitrag zur Quantenforschung leisten zu können. So kommentiert Shekhar Garde, Dekan der RPI-Ingenieursfakultät: „Die Möglichkeit, Quantenphänomene bei Raumtemperatur zu untersuchen, ist eine aufregende Perspektive […] Professor Baos innovative Arbeit zeigt, wie Materialdesign uns dabei helfen kann, einige der größten Fragen der Wissenschaft zu beantworten.“
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Bildquelle: Rensselaer Polytechnic Institute