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Forschende haben eine neuartige Methode entwickelt, um Lichtfelder direkt innerhalb von optischen Resonatoren zu verfolgen. Dies ermöglicht eine Messung genau an den Stellen wo zukünftige feldaufgelöste Studien zu Licht-Materie-Wechselwirkung stattfinden werden.
Forschende der Abteilung für Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben eine neuartige experimentelle Plattform entwickelt, um die elektrischen Felder von Licht, das zwischen zwei Spiegeln gefangen ist, mit einer Präzision unterhalb eines Lichtzyklus zu messen. Diese elektrooptischen Fabry-Pérot-Resonatoren ermöglichen eine präzise Kontrolle und Beobachtung von Licht-Materie-Wechselwirkungen, insbesondere im Terahertz (THz) Spektralbereich. Durch die Entwicklung eines abstimmbaren hybriden Resonatordesigns und die Messung und Modellierung seines komplexen Modenspektrums können die Physiker*innen nun aktiv zwischen Knoten und Maxima der Lichtwellen an relevanten Resonatorstellen schalten. Die Studie eröffnet somit neue Wege zur Erforschung der Quantenelektrodynamik und der ultraschnellen Steuerung von Materialeigenschaften.
Wichtige Aspekte
- Elektrooptische Resonatoren: Ermöglichen in-situ-Messung von elektrischen Lichtfeldern innerhalb des Resonators.
- Terahertz-Spektralbereich: Fokus auf niederenergetische Wechselwirkungen von Quasiteilchen in Festkörpern und Molekülen, z.B. entscheidend für das Verständnis der Quantendynamik in korrelierten Materialien.
- Hybrid-Resonatoren: Entwicklung eines durchstimmbaren Mehrschicht-Resonator-Designs, welches einen EIN-AUS-Schalter für Licht-Materie-Kopplung bieten wird.
- Theoretische Einblicke: Neue Modelle, die das komplexe Zusammenspiel elektromagnetischer Moden erklären und wie man Licht-Materie-Quasiteilchen (Polaritonen) in Zukunft davon unterscheiden können wird.
Einführung in Elektro-Optische Kavitäten
In einem bedeutenden experimentellen Fortschritt im Bereich der Elektrodynamik in Resonatoren (auch Kavitäten genannt) hat das Team eine neuartige Methode zur Messung elektrischer Lichtfelder innerhalb von Resonatoren demonstriert. Durch die Nutzung von elektrooptischen Fabry-Pérot-Resonatoren und ultrakurzen Laserblitzen haben sie Messungen mit einer Präzession einzelner Lichtzyklen erreicht, die Einblicke in Licht und Materie genau dort ermöglichen, wo ihre Interaktion stattfindet.
Fokus auf den Terahertz-Spektralbereich
Die Kavitätselektrodynamik untersucht, wie Materialien, die zwischen Spiegeln platziert sind, mit Licht interagieren und sowohl ihre Eigenschaften als auch ihr dynamisches Verhalten verändern. Diese Studie konzentriert sich auf den Terahertz (THz) Spektralbereich, in dem niederenergetische Anregungen die grundlegenden Materialeigenschaften bestimmen. Die Fähigkeit, neuartige Zustände zu messen, die innerhalb des Resonators gleichzeitig Licht und Materieanregungen sind, wird ein klareres Verständnis dieser Wechselwirkungen bieten.
Innovatives Hybrid-Kavitätsdesign
Die Forschenden haben auch ein Hybrid-Kavitätsdesign entwickelt, das eine abstimmbare Luftlücke mit einem geteilten Detektorkristall innerhalb des Resonators beherbergt. Dieses neuartige Design ermöglicht eine präzise Kontrolle über interne Reflexionen, was selektive Interferenzmustern „on demand“ erzeugt. Diese Beobachtungen werden durch mathematische Modelle unterstützt, die einen Schlüssel zum Dechiffrieren der komplizierten Resonatordispersion und ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Physik ermöglichen.
Ausblick
Diese Forschung legt den Grundstein für zukünftige Studien zu Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren und bietet potenzielle Anwendungen für Grundlagenforschung, Quantencomputing und Materialwissenschaften. Michael S. Spencer, Erstautor der Studie, unterstreicht: „Unsere Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung und Steuerung der grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie und bietet ein einzigartiges Werkzeugset für zukünftige wissenschaftliche Entdeckungen." Prof. Dr. Sebastian Maehrlein, der Leiter der Forschungsgruppe, fasst zusammen: „Unsere EOCs bieten hochpräzise feldaufgelöste Einblicke, die neue Wege für die Kavitäts-Quanten-Elektrodynamik in Experiment und Theorie inspirieren können."
Prof. Dr. Sebastian Maehrlein, maehrlein@fhi.mpg.de
Dr. Michael Spencer, spencer@fhi.mpg.de
https://www.nature.com/articles/s41377-024-01685-x
https://www.fhi.mpg.de/1722913/2025-02-10-Mirror-trap-the-light
Die Vermessung von unsichtbaren Lichtschwingungen mittels elektro-optischer Resonatoren
© FHI
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Chemistry, Electrical engineering, Energy, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Research results
German
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