Forscher der McGill University haben ein winziges Quantengerät entwickelt, das präzise kontrollierte Schallteilchen — sogenannte Phononen — nahe dem absoluten Nullpunkt erzeugt. Ein Durchbruch, der zu Phononenlasern, schnellerer Unterwasserkommunikation und neuen medizinischen Diagnosewerkzeugen führen könnte.
Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie demonstriert einen neuen Weg, Quantenschall zu erzeugen und zu kontrollieren, indem Elektronen mit extremen Geschwindigkeiten durch einen ultradünnen zweidimensionalen Kristall getrieben werden.
„Moderne Kommunikation basiert weitgehend auf Licht, einschließlich elektromagnetischer Wellen und elektrischer Ströme. In einem Medium wie den Ozeanen kann sich Schall ausbreiten, während Licht und elektrische Ströme dies nicht können“, sagte Michael Hilke, außerordentlicher Professor für Physik an der McGill University und Koautor der Studie. „Auch im menschlichen Körper können Schallwellen ein nützliches Werkzeug sein.“
Wie es funktioniert
Das Team entwickelte ein Gerät, das einen zweidimensionalen Kristall verwendet, der Elektronen auf einen nur wenige Atome breiten Kanal begrenzt. Wenn ein elektrischer Strom die Elektronen mit hoher Geschwindigkeit durch diesen ultrafeinen Pfad treibt, geben die Elektronen ihre überschüssige Energie als kontrollierte Phononenausbrüche ab.
Die Experimente wurden bei Temperaturen von 10 Milli-Kelvin bis 3,9 Kelvin durchgeführt — nahe dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen Extrembedingungen verhalten sich Elektronen geordnet quantenmechanisch, wodurch die Phononenemission beobachtbar und steuerbar wird.
Was es ermöglicht
Phononenlaser — das schallbasierte Äquivalent optischer Laser — sind ein lang gehegtes Ziel der Physik. Anders als Licht durchdringt Schall Wasser und biologisches Gewebe effizient. Anwendungen reichen von Unterwasserkommunikation über medizinische Bildgebung bis hin zu Quantensensoren, was die Technologie transformativ macht.
