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Ein unerwarteter Effekt wurde von TU Wien und OIST Okinawa nachgewiesen: In einem eigentlich höchst ungeordneten Quantensystem entsteht plötzlich kohärente Mikrowellen-Strahlung.
Zwei Kerzen strahlen doppelt so stark wie eine. Und zehn Kerzen strahlen zehnmal so intensiv. Diese Regel klingt völlig banal – aber in der Quantenwelt kann sie gebrochen werden. Wenn man Quantenteilchen in einen Zustand höherer Energie versetzt, dann können sie Licht abgeben, wenn sie in den Zustand niedrigerer Energie zurückfallen. Doch wenn man viele solche Quantenteilchen miteinander koppelt, dann können sie gemeinsam einen Lichtpuls erzeugen, der viel stärker ist als die Summe der Beiträge der einzelnen Teilchen. Die Pulsstärke skaliert mit dem Quadrat der Teilchenanzahl – man spricht in diesem Fall von „Superradianz“. Es handelt sich um eine kollektive Emission, bei der alle Quantenteilchen des Systems blitzartig und gewissermaßen im „Gleichschritt“ Energie abstrahlen.
Nun stießen die TU Wien und das Okinawa Institute of Science and Technology (Japan) auf eine andere, völlig unerwartete Spielart dieses Phänomens: Man beobachtete Superradianz in unregelmäßigen Diamanten und stellte fest: Nach dem Superradianz-Puls folgt eine Reihe weiterer Pulse, in denen weitere Strahlung auf kohärente, perfekt regelmäßige Weise abgegeben wird. Das ist ähnlich überraschend, als würde sich das unkoordinierte Zirpen vieler Grillen plötzlich zu einem gemeinsamen Knall vereinen.
Schwarze Diamanten
„Wir untersuchen Diamanten – aber nicht die glasklare Sorte, die man sonst kennt. Unsere Diamanten haben Billionen von Fehlstellen, an denen Stickstoff-Atome sitzen. Dadurch sind sie nicht durchsichtig, sondern schwarz“, erklärt Wenzel Kersten vom Atominstitut der TU Wien.
Die Defekte im Diamanten haben einen Spin – einen quantenphysikalischen Drehimpuls, der entweder nach oben oder nach unten zeigt. Mit Hilfe von Magnetfeldern und Mikrowellen in einem Mikrowellen-Resonator kann man erreichen, dass sich eine große Zahl dieser Defekte in einem Spin-Zustand mit erhöhter Energie befindet. Dieser Zustand ist aber instabil, ähnlich wie ein verschneiter Hang, auf dem durch einen winzigen Auslöser plötzlich eine Lawine entstehen kann. Irgendwann kippt der Zustand, dann wird die Energie abgegeben, eine „Superradianz-Lawine“ entsteht.
„Das ist physikalisch schon sehr interessant, aber für uns war es eigentlich erst der Beginn der Geschichte“, sagt Wenzel Kersten. Das Team stellte nämlich fest: Nach dem Superradianz-Puls, den man erwartet hatte, kommt eine Pause von einigen Mikrosekunden, und dann eine Reihe weiterer Mikrowellen-Pulse. „Das war höchst unerwartet, und passte auch zu keiner bestehenden Theorie von Superradianz“, sagt Oliver Diekmann (TU Wien).
Unordnung hilft dem Energieaustausch
Besonders merkwürdig an dem Phänomen ist, dass es sich eigentlich um ein äußerst unordentliches System handelt: Die Defekte im Diamanten sind unterschiedlich, sie sind nicht exakt regelmäßig angeordnet, sie haben alle leicht unterschiedliche Energien, und sie sind alle auf komplizierte Weise miteinander gekoppelt. Das ist eigentlich das Gegenteil eines sauberen, geordneten Systems, in dem man normalerweise Quanteneffekte erwarten würde.
„Aber wie sich zeigt ist es genau diese Unordnung, die für die wohlgeordneten Mikrowellen-Pulse verantwortlich ist“, sagt Elena Redchenko (TU Wien). Beim Superradianz-Puls geben nämlich nicht alle Defekt-Stellen im Diamanten ihre Energie ab, sondern nur jene, die genau die richtige Energie haben. Dieser Energiebereich ist danach leer – es gibt keine Spins mehr, die genau zu diesem Energiewert passen. Nach herkömmlicher Vorstellung müsste die Sache damit zu Ende sein.
Doch eben weil der Diamant so unordentlich ist, können die Defekt-Stellen Energie miteinander austauschen. Und so wird der leere Energiebereich wieder aufgefüllt: Andere Defekt-Stellen bekommen Energie oder geben Energie ab – und kommen dadurch manchmal eben auch auf den Energiewert, der zuvor im Superradianz-Puls leergefegt worden war.
„Wenn dieser Energie-Zustand dann irgendwann in ausreichendem Maß besetzt ist, dann kommt es erneut zu einer Entladung, ein neuer Mikrowellen-Puls entsteht“, sagt Nikolaus de Zordo (TU Wien). „Und auch dieser Puls ist kohärent, wie ein Laser – die ausgesendeten Mikrowellen-Photonen schwingen also alle im selben Takt.“ So kommt es zu Lichtblitzen, ganz ohne von außen einen Auslöser zu benötigen.
Neuer Ansatz für neue Quantentechnologien
„Im Wesentlichen treibt sich das System selbst an“, sagt Prof. William Munro (OIST). „Diese Spin-Spin-Wechselwirkungen lösen eine Serie von Mikrowellen-Übergängen aus und offenbaren damit eine grundlegend neue Form kollektiven Quantenverhaltens.“
Man könnte diese neue Sorte von Mikrowellen-Strahlung als Taktgeber einsetzen. Auch für Sensoren ist das neue Phänomen interessant: „Man könnte damit möglicherweise winzige Änderungen in elektrischen oder magnetischen Feldern messen“, sagt Prof. Jörg Schmiedmayer (VCQ / TU Wien). „Solche Fortschritte könnten medizinische bildgebende Verfahren verbessern, Beiträge für Materialforschung liefern, oder auch in der Umwelt-Analytik zum Einsatz kommen. Grundsätzlich lassen sich neue Erkenntnisse der Quantentheorie immer wieder in höchst vielversprechende Technologien umsetzen.“
Dr. Wenzel Kersten
Atominstitut
Technische Universität Wien
+43 1 58801 141867
wenzel.kersten@tuwien.ac.at
W. Kersten et al., Self-induced superradiant masing, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03123-0 https://www.nature.com/articles/s41567-025-03123-0
Superradianz: durch die Kopplung von Lichtteilchen könenn überraschende Signale entstehen.
Quelle: TU Wien
Copyright: Oliver Diekmann
Elena Redchenko, Jörg Schmiedmayer, Oliver diekmann, Nikolaus de Zordo und Wenzel Kersten (v.l.n.r.)
Quelle: TU Wien
Copyright: TU Wien
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Elektrotechnik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Superradianz: durch die Kopplung von Lichtteilchen könenn überraschende Signale entstehen.
Quelle: TU Wien
Copyright: Oliver Diekmann
Elena Redchenko, Jörg Schmiedmayer, Oliver diekmann, Nikolaus de Zordo und Wenzel Kersten (v.l.n.r.)
Quelle: TU Wien
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