Neue Lichtform entdeckt: Forscher verbinden Photon und Elektron

Forscher haben eine bisher unbekannte Lichtform entdeckt, durch die eine neue Art von Schaltkreisen als Basis von Quantencomputern entstehen könnte.

Während künstliche Beleuchtung schon lange nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken ist, könnte eine neue Form von Licht künftig auch die Computertechnik revolutionieren. Denn einer Wissenschaftlergruppe vom Imperial College London ist es im Theoriemodell gelungen, ein Lichtteilchen an ein einzelnes Elektron zu binden. Auf Basis der Forschungsergebnisse könnten neben günstigeren und einfacheren Methoden zur Quantenforschung auch robuste neue Schaltkreise entstehen. Diese wären zum einen weniger anfällig für technische Störungen und könnten zum anderen auch den Bau von Quantencomputern ermöglichen, die in einer Sekunde Berechnungen durchführen, für die heutige Computer 150 Jahre benötigen.

„Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit werden einen großen Einfluss auf unsere Vorstellung von Licht haben“, erklärt Projektbetreuer Dr. Vincenzo Giannini. Treffen Photonen, aus denen Licht besteht, auf Oberflächen, interagieren sie dort normalerweise mit vielen unterschiedlichen Elektronen. Durch die Bindung an ein einzelnes Elektron entsteht jedoch eine Art Symbiose, bei der die Teilchen einige Eigenschaften des jeweils anderen annehmen. Während Licht sich normalerweise in einer geraden Linie bewegt, kann es durch die Bindung an das Elektron dessen Bewegungen folgen. Umgekehrt können Elektronen, deren Weg innerhalb eines elektrischen Schaltkreises von einem Defekt im leitenden Material unterbrochen wird, dieses Hindernis mithilfe des Photons überwinden.

Topologische Isolatoren ermöglichen neue Lichtform

Den Schlüssel zur Entwicklung der neuen Lichtform lieferten topologische Isolatoren – eine Materialklasse, die erst im Jahr 2007 entdeckt wurde. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass sie im Innern wie ein elektrischer Isolator wirkt und damit den Durchfluss von Strom verhindert, auf ihrer Oberfläche jedoch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen zulässt. Die Forscher gaben dem topologischen Isolator die Gestalt eines kugelförmigen Nanopartikels mit einem Durchmesser von weniger als 0,00001 Millimeter. Anhand dieses Partikels konnten sie das Einfangen von Lichtteilchen durch deren Bindung an einzelne Elektronen simulieren. Die so entstandene Fähigkeit, Bewegungen von Photonen zu kontrollieren, könnte zur Entwicklung von Schaltkreisen führen, die mit der neuen Lichtform statt mit den bisher üblichen Elektronen funktionieren und damit die technische Basis für Quantencomputer bilden.

Jene basieren auf Qubits, die im Gegensatz zu den in herkömmlichen Rechnern als kleinste Speichereinheit verwendeten Bits nicht nur den Zustand 1 oder 0, sondern auch beide Zustände gleichzeitig annehmen können. Dieses Prinzip wird Superposition genannt und funktioniert bisher nur mit Molekülen, die auf eine Temperatur kurz vor dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius abgekühlt werden. Doch die technische Umsetzung ist kompliziert und daher teuer. Eine Kombination von Photonen und Elektronen hingegen könnte Superposition bei Raumtemperatur möglich machen, erklärt Giannini. Zudem glauben die Wissenschaftler, dass sich der in ihrer Studie beschriebene Prozess auf ein sichtbares Maß vergrößern lässt. Das würde die Quantenforschung, die sich mit Vorgängen im subatomaren Bereich befasst, wesentlich erleichtern. Ob sich aber das Theoriemodell in die Praxis umsetzen lässt, sollen nun die vom Forschungsteam beauftragten Experimentalphysiker im Laborversuch herausfinden.

Cover-Foto: Imperial college of London (via phys.org) – Vincenzo Giannini 

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