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Forschende am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) in Berlin haben gemeinsam mit Partnern in Argentinien einen neuen Ansatz zur Kontrolle der Kondensation hybrider Licht-Materie-Teilchen in Halbleiter-Mikrokavitäten demonstriert. Mithilfe kohärenter akustischer Wellen wurde die Energielandschaft des Systems dynamisch verändert und ein makroskopischer Quantenzustand gezielt in seine niedrigste Energiekonfiguration gelenkt. Die in Nature Photonics veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Wege zur Erzeugung von Nichtgleichgewichts-Quantenzuständen sowie für ultraschnelle, abstimmbare photonische Technologien.
Berlin, 11. März 2026 — Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Alexander Kuznetsov am Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) in Berlin hat einen grundlegend neuen Ansatz zur Kontrolle der Kondensation hybrider Licht-Materie-Teilchen demonstriert. Durch kohärente akustische Anregung, die die Energieverteilung einer Halbleiter-Mikrokavität dynamisch verändert, gelang es den Forschenden, einen makroskopischen Quantenzustand deterministisch in seine energetisch niedrigste Konfiguration zu lenken. Die heute in Nature Photonics veröffentlichten Ergebnisse etablieren eine Strategie zur gezielten Erzeugung von Nichtgleichgewichts-Quantenzuständen und eröffnen Perspektiven für ultraschnelle, abstimmbare photonische Technologien.
In Zusammenarbeit mit langjährigen Partnern vom Nationalen Rat für wissenschaftliche und technische Forschung (CONICET) sowie vom Centro Atómico Bariloche und dem Instituto Balseiro in Argentinien realisierte das Team experimentell ein universelles Schema zur selektiven Übertragung von Populationen innerhalb eines mehrstufigen Quantensystems mithilfe starker zeitperiodischer Modulation.
Im Mittelpunkt der Studie stehen Exziton-Polaritonen – Quasiteilchen, die entstehen, wenn in einer Mikrokavität eingeschlossenes Licht stark mit elektronischen Anregungen in einem Halbleiter koppelt. Da sie sich wie Bosonen verhalten, können Exziton-Polaritonen eine Bose-Einstein-Kondensation im Nichtgleichgewicht durchlaufen und dabei einen kohärenten makroskopischen Quantenzustand bilden, der Licht mit laserähnlichen Eigenschaften emittiert.
In den Experimenten modulierte eine akustische Welle im Gigahertz-Frequenzbereich periodisch die Energieniveaus des Systems. Dadurch wurde die Energielandschaft des Kondensats neu geformt und die Population gezielt in den energetisch niedrigsten Zustand gelenkt. Die resultierende Emission zeigte ein einzelnes dominantes Niveau mit einem Kamm spektraler Linien bei Gigahertz-Wiederholraten sowie Korrelationen auf der Pikosekunden-Zeitskala.
Der zugrunde liegende Mechanismus lässt sich im Rahmen der kohärenten Floquet-Anregung beschreiben. Die periodische Modulation verändert das Gleichgewicht zwischen exzitonischen und photonischen Anteilen und ermöglicht so eine kontrollierte Besetzung der Quantenzustände. Ein theoretisches Modell reproduziert die beobachtete Dynamik und führt den Populationstransfer auf das Zusammenspiel von bosonischer Stimulation und adiabatischen Übergängen vom Landau-Zener-Typ zurück.
Die Kontrolle von Quantensystemen im Nichtgleichgewicht gehört zu den zentralen Herausforderungen der Festkörperphysik. Durch den Nachweis der deterministischen Steuerung eines getriebenen Vielteilchenkondensats in einer Festkörperplattform etabliert die Studie Halbleiter-Mikrokavitäten als Plattform für dynamisches Quantum Engineering und eröffnet neue Wege zu abstimmbaren, ultraschnellen kohärenten Lichtquellen mit Relevanz für Photonik und Optoelektronik.
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Über das PDI
Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) in Berlin ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Am PDI wird Grundlagen- und angewandte Forschung an der Schnittstelle von Materialwissenschaft, Festkörperphysik und Bauelementeentwicklung betrieben. Der strategische Fokus liegt auf niedrigdimensionalen Halbleiterstrukturen und Quantenmaterialien mit dem Ziel, neue physikalische Phänomene zu erschließen und zukünftige elektronische und photonische Technologien zu ermöglichen.
Alexander Kuznetsov, Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik
Leibniz-Institut im Forschungsverbund Berlin e.V.
Hausvogteiplatz 5–7, 10117 Berlin, Deutschland
E-Mail: kuznetsov@pdi-berlin.de
Titel: Ground state exciton-polariton condensation by coherent Floquet driving
Autor:innen: A. S. Kuznetsov, I. Carraro-Haddad, G. Usaj, K. Biermann, A. Fainstein, P. V. Santos
Journal: Nature Photonics (2026)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-026-01855-w
Embargo: 11. März 2026, 10:00 GMT
https://www.pdi-berlin.de/news-events/latest-news/acoustic-driving-enables-contr...
Bild: Konzept eines phononenkontrollierten Exziton-Polaritonen-Mikrokavitätenlasers, der abstimmbare ...
Copyright: PDI/Alexander Kuznetsov
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research projects, Scientific Publications
German
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