Ein Forschungsteam der McGill University hat eine neuartige Vorrichtung entwickelt, die bei extrem tiefen Temperaturen Teilchen erzeugt, die Schallwellen ähneln: die Phononen. Diese Technologie könnte zur Herstellung von Phononenlasern genutzt werden und Anwendungen in der Kommunikation und medizinischen Diagnostik finden.
„Die moderne Kommunikation basiert größtenteils auf Licht, insbesondere auf elektromagnetischen Wellen und elektrischen Strömen. Schall kann sich jedoch in bestimmten Medien ausbreiten, in denen sich Licht und elektrische Ströme nicht bewegen können, wie zum Beispiel in den Ozeanen“, erklärt Michael Hilke, außerordentlicher Professor für Physik und Koautor der Studie. „Schallwellen könnten auch im menschlichen Körper praktische Anwendungen haben.“
Abbildung: Pixabay (illustrativ) Das Gerät wurde an der McGill University und am National Research Council Canada (NRC) gebaut und analysiert. Das Material wurde an der Princeton University synthetisiert.
Schnelle Elektronen erzeugen schallähnliche Schwingungen Das Gerät leitet einen elektrischen Strom durch eine zweidimensionale Kristallschicht und fängt Elektronen in einem Kanal ein, der sich in einem nur wenige Atome dicken Bereich befindet. Die Wissenschaftler entdeckten, dass die Elektronen, wenn sie mit ausreichender Kraft durch diesen Kanal getrieben wurden, Energie in Form von Wellen aus schwingungsähnlichen Vibrationen – den Phononen – freisetzten, und zwar in vorhersagbaren und modulierbaren Mustern.
Um diesen Effekt zu erzielen, müssen sie das Gerät auf Temperaturen zwischen etwa 10 Millikelvin und 3,9 Kelvin abkühlen, um das Verhalten der Elektronen vorhersagbarer zu machen und die Beobachtung von Quanteneffekten zu ermöglichen, die auftreten, wenn sich Materie eher wie Wellen denn wie feste Teilchen verhält.
„Bei der Temperatur Null – also im Universum der Quantenphysik – tritt kein Schall auf, es sei denn, die Elektronen bewegen sich gemeinsam mit oder oberhalb der Schallgeschwindigkeit“, erklärt Michael Hilke. „Frühere Studien haben verwandte Effekte beobachtet, wenn sich Elektronen mit einer Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit bewegten.“ „Wir treiben das System weit über diesen Punkt hinaus und zeigen, dass bestehende Theorien überdacht werden müssen, um zu berücksichtigen, dass Elektronen sehr heiß sein können, auch wenn die Temperatur des Wirtskristalls nahe dem absoluten Nullpunkt liegt.“
Neue Materialien könnten die Geschwindigkeit erhöhen Michael Hilke gibt an, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, andere Herstellungsmaterialien wie Graphen zu untersuchen, um die Funktionsweise des Geräts noch weiter zu beschleunigen.
Diese Beschleunigung könnte den Weg für eine Hochgeschwindigkeits-Kommunikationstechnologie sowie für die Entwicklung von Detektionswerkzeugen, biologischen Materialien und fortschrittlichen medizinischen Systemen ebnen.
„Phononen sind schwer zu erzeugen und zu kontrollieren; deshalb erforschen wir neue Schemata.“ „Allgemeiner gesagt versuchen wir, den Fluss und die Umwandlung von elektrischem Strom und Energie innerhalb moderner elektronischer Materialien zu verstehen“, präzisiert er.
Die Studie Der Artikel „Resonant magnetophonon emission by supersonic electrons in ultrahigh-mobility two-dimensional systems“ von Michael Hilke et al. wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Quelle: McGill University