Wissenschaftler schlagen superhelle Lichtquellen vor, die von Quasiteilchen betrieben werden.

19. Oktober 2023

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Korrekturgelesen von der Universität Rochester

Ein internationales Team von Wissenschaftlern überdenkt die grundlegenden Prinzipien der Strahlenphysik mit dem Ziel, superhelle Lichtquellen zu schaffen. In einer neuen Studie, die in Nature Photonics veröffentlicht wurde, schlagen Forscher vom Instituto Superior Técnico (IST) in Portugal, der University of Rochester, der University of California, Los Angeles und dem Laboratoire d'Optique Appliquée in Frankreich Möglichkeiten vor, Quasiteilchen zu nutzen, um Lichtquellen zu erzeugen, die genauso leistungsstark sind wie die modernsten Geräte, aber viel kleiner. Quasiteilchen werden durch das gemeinsame Bewegen vieler Elektronen gebildet. Sie können mit jeder Geschwindigkeit reisen - sogar schneller als Licht - und starke Kräfte aushalten, wie solche in der Nähe eines Schwarzen Lochs.

"Das faszinierendste Merkmal von Quasiteilchen ist ihre Fähigkeit, sich auf Arten zu bewegen, die nach den physikalischen Gesetzen, die einzelne Teilchen regieren, nicht möglich wären", sagt John Palastro, ein leitender Wissenschaftler am Laboratory for Laser Energetics, ein Assistenzprofessor am Department of Mechanical Engineering und außerordentlicher Professor am Institut für Optik.

Palastro und seine Kollegen untersuchten die einzigartigen Eigenschaften von Quasiteilchen in Plasmen, indem sie fortschrittliche Computersimulationen auf Supercomputern durchführten, die über das European High-Performance Computing Joint Undertaking verfügbar sind. Sie sehen vielversprechende Anwendungen für quasiteilchenbasierte Lichtquellen, darunter zerstörungsfreie Bildgebung zur Erkennung von Viren, das Verständnis biologischer Prozesse wie Photosynthese, die Herstellung von Computerchips sowie die Erforschung des Verhaltens von Materie in Planeten und Sternen.

"Die Flexibilität ist enorm", sagt Bernardo Malaca, ein Doktorand am IST und Hauptautor der Studie. "Obwohl jede Elektron relativ einfache Bewegungen ausführt, kann die Gesamtstrahlung aller Elektronen die Bewegung eines Partikels schneller als Licht oder eines oszillierenden Partikels imitieren, obwohl es kein einzelnes Elektron vor Ort gibt, das schneller als Licht oder oszillierend ist."

Quasiteilchenbasierte Lichtquellen könnten gegenüber bestehenden Formen wie Freie-Elektronen-Lasern einen deutlichen Vorteil haben, die rar und massiv sind und daher für die meisten Labore, Krankenhäuser und Unternehmen unpraktisch sind. Mit der in der Studie vorgeschlagenen Theorie könnten Quasiteilchen unglaublich helles Licht mit nur einer winzigen Strecke erzeugen und so potenziell weitreichende wissenschaftliche und technologische Fortschritte in Laboren weltweit auslösen.

Journal-Informationen: Nature Photonics

Bereitgestellt von: University of Rochester