Forscher der McGill University haben ein Gerät entwickelt, das Phononen – schallähnliche Teilchen – bei extrem niedrigen Temperaturen erzeugt. Dieser Durchbruch könnte Phononenlaser ermöglichen und die Bereiche Kommunikation, Sensorik und medizinische Diagnostik mithilfe von Quanteneffekten revolutionieren.
Forscher der McGill University haben ein Gerät entwickelt, das bei extrem niedrigen Temperaturen schallähnliche Partikel erzeugt. Diese Partikel, auch Phononen genannt, können zur Herstellung von Phononenlasern genutzt werden und bieten mögliche Anwendungen in der Kommunikationstechnik und der medizinischen Diagnostik.
„Moderne Kommunikation basiert größtenteils auf Licht, darunter elektromagnetische Wellen und elektrische Ströme. In Medien wie den Ozeanen kann sich Schall ausbreiten, Licht und elektrische Ströme hingegen nicht“, sagte Michael Hilke. „Auch im menschlichen Körper können Schallwellen ein nützliches Werkzeug sein“, fügte er hinzu.
Michael Hilke, außerordentlicher Professor für Physik und Mitautor der in Physical Review Letters veröffentlichten Studie, erklärte, dass die Vorrichtung an der McGill University und dem National Research Council of Canada entwickelt und analysiert wurde und das Material an der Princeton University synthetisiert wurde.
Zweidimensionale Schicht eines Kristalls
Das Gerät leitet einen elektrischen Strom durch eine zweidimensionale Kristallschicht und hält Elektronen in einem nur wenige Atomlagen dicken Bereich fest.
Die Forscher haben entdeckt, dass Elektronen, wenn sie über diesen Kanal mit genügend Kraft angeregt werden, Energie in Form von schallähnlichen Schwingungen, sogenannten Phononen, in vorhersagbaren und einstellbaren Mustern freisetzen.
Dies wird erreicht, indem die Bauelemente auf extrem niedrige Temperaturen im Bereich von etwa 10 Millikelvin bis 3,9 Kelvin gekühlt werden, wodurch sich die Elektronen kontrollierter und vorhersagbarer verhalten.
Unter solchen Bedingungen können Wissenschaftler Quanteneffekte beobachten, bei denen Materie wellenartige Eigenschaften aufweist, anstatt sich wie reine Festkörperteilchen zu verhalten.
„Bei absoluten Nulltemperaturen, also im Bereich der Quantenphysik, entsteht kein Schall, es sei denn, Elektronen bewegen sich kollektiv mit Schallgeschwindigkeit oder darüber“, erklärte Hilke.
„Frühere Arbeiten hatten ähnliche Effekte beobachtet, wenn sich die Elektronengeschwindigkeiten der Schallmauer näherten. Unsere Studie geht noch einen Schritt weiter, indem sie das System weit über diesen Punkt hinausführt und zeigt, dass bestehende Theorien überdacht werden müssen, da Elektronen selbst dann sehr heiß sein können, wenn der Wirtskristall nahe dem absoluten Nullpunkt liegt“, fügte er hinzu.
Hilke merkte an, dass in der nächsten Phase das Gerät mit alternativen Materialien wie Graphen getestet werden soll, wodurch es möglicherweise noch schneller funktionieren könnte.
Dieser Fortschritt könnte den Weg für schnellere Kommunikationstechnologien, verbesserte Sensoren, Anwendungen in der biologischen Forschung und komplexere medizinische Systeme ebnen.
„Phononen sind schwer zu erzeugen und kontrolliert zu nutzen, daher erforschen wir neue Wege. Im Wesentlichen geht es darum, wie elektrischer Strom und Energie in modernen elektronischen Materialien fließen und umgewandelt werden“, sagte er.
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