Kleiner Spin, große Quantenwirkung

(openPR) Quantentechnologien gelten als Schlüssel der Zukunft. Doch ihre Erforschung erfordert nicht nur wissenschaftliche Expertise, sondern mitunter auch hochspezialisierte Laborbedingungen. Ein faszinierendes Beispiel sind Bose-Einstein-Kondensate, in denen Atome gewissermaßen im Gleichschritt marschieren, sodass quantenmechanische Effekte nicht nur auf der Ebene einzelner Atome auftreten, sondern im makroskopischen Maßstab sichtbar werden. Die ersten Bose-Einstein-Kondensate wurden in ultrakalten Atomgasen nachgewiesen, also bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Die dafür nötige Kühlung war aufwändig, kostspielig und auf spezialisierte Labore beschränkt.

Heute richtet sich der Blick in der Quantenforschung auf Bose-Einstein-Kondensate in Festkörpern, die auch bei moderaten Temperaturen existieren können. Typischerweise verwendet man hierzu Elektron-Loch-Paare in einem Halbleiter, sogenannte Exzitonen, die gezielt mittels Laser-Impulsen erzeugt werden können. Da Exzitonen aber vereinfacht gesagt zu träge sind, um sich im Gleichschritt zu bewegen, koppelt man sie an das Lichtfeld eines Resonators, um ihre effektive Masse zu reduzieren. Das Resultat ist ein Mischzustand aus Materie und Licht: Exziton-Polaritonen. Sie bieten das Beste aus zwei Welten, denn sie lassen sich mit Laser-Impulsen steuern und weil sie deutlich leichter sind, können sie einfacher in einen gemeinsamen quantenmechanischen Zustand gebracht werden.

Ein Exziton-Polariton-Kondensat ist also ein makroskopischer Quantenzustand, der Licht aussendet und mit deutlich weniger, in manchen Fällen sogar komplett ohne aufwändige Kühlung entstehen kann. Daher gelten diese Kondensate als vielversprechende Plattform für künftige Anwendungen in den Bereichen Quantenkommunikation, Quantenoptik und Quantencomputing. Eine zentrale Herausforderung besteht jedoch darin, die Eigenschaften des Kondensats und damit auch das von ihm ausgesandte Licht gezielt einzustellen – ein Problem, das nun gelöst werden konnte:

Ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. Rupert Huber, Dr. Fabian Mooshammer und Dr. Jan Wilhelm von der Universität Regensburg, Dr. Florian Dirnberger von der Technischen Universität München und Prof. Dr. Zdeněk Sofer von der Universität für Chemie und Technologie Prag hat gezeigt, dass sich Exziton-Polariton-Kondensate gezielt über die magnetischen Eigenschaften des Materials kontrollieren lassen. Dazu verwendete das Team statt konventioneller Halbleitermaterialien einen neuartigen magnetischen Schichthalbleiter: Chrom-Sulfid-Bromid (CrSBr). Der Kristall besteht aus vielen atomar dünnen Lagen, deren magnetische Ausrichtung von Schicht zu Schicht wechselt. Grundlage dieser magnetischen Eigenschaften ist der sogenannte Spin, eine Art intrinsischer quantenmechanischer Drehimpuls von Elektronen. Mit dem Spin ist ein magnetisches Dipolmoment verbunden, das vergleichbar mit einer winzigen Kompassnadel ist und dessen Orientierung die Richtung der Magnetisierung angibt. In CrSBr sind diese kleinen „Kompassnadeln“ innerhalb jeder Atomlage gleich, zwischen benachbarten Lagen aber jeweils entgegengesetzt ausgerichtet. Die kontrollierte Veränderung dieser besonderen magnetischen Ordnung eröffnete nun neue Möglichkeiten, um die Eigenschaften des Exziton-Polariton-Kondensats gezielt zu beeinflussen.

Zunächst mussten die Forschenden jedoch zeigen, dass es in den untersuchten Strukturen tatsächlich zu einer Exziton-Polariton-Kondensation kommt. Dazu regten sie Exziton-Polaritonen in CrSBr-Strukturen mit ultrakurzen Laser-Impulsen an. Steigert man schrittweise die Dichte dieser Teilchen, so sind sie schließlich nahe genug beieinander, um mit ihren Nachbarn im Gleichtakt zu schwingen. „Sobald die Schwelle zur Kondensation erreicht ist, nimmt die Intensität des ausgesandten Lichts sprungartig um mehr als das Hundertfache zu. Gleichzeitig verhalten sich die Lichtwellen geordnet und schwingen gewissermaßen im gleichen Takt. Durch diese sogenannte Kohärenz haben wir einen eindeutigen Nachweis für die Kondensation“, so Erstautor Dr. Heng Zhang.

Der entscheidende Schritt folgte anschließend. Die Forschenden untersuchten, ob sich das Kondensat durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds gezielt kontrollieren lässt. Das Ergebnis war eindeutlig: Mit zunehmendem Magnetfeld verschob sich die Energie des vom Kondensat ausgesandten Lichts. Dies liegt an der besonderen magnetischen Ordnung von CrSBr. Zunächst sind die Elektronenspins in benachbarten Schichten des Kristalls entgegengesetzt ausgerichtet. Dies stellt eine Art magnetischen Käfig für Exzitonen dar, die dadurch in ihrer jeweiligen Schicht eingeschlossen sind. Durch ein äußeres Magnetfeld kann dieser magnetische Käfig gezielt aufgebrochen werden, indem die Spins in die gleiche Richtung ausgerichtet werden. Dadurch lassen sich die Eigenschaften der Exziton-Polaritonen, wie etwa deren Energie, gezielt einstellen. Dieser neuartige Kontrollmechanismus über die magnetische Ordnung des Materials ist sehr effizient, wie Christian Weidgans, einer der Ko-Erstautoren, erklärt: „Während frühere Ansätze unter anderem auf das Anlegen elektrischer Spannung zurückgriffen, erlauben bereits moderate Magnetfelder in CrSBr eine bis zu zehnmal größere Energieverschiebung des ausgesandten Lichts. Auf diese Weise lässt sich der Quantenzustand gezielt über den Magnetismus des Materials steuern.“

Die Ergebnisse schaffen eine neue Schnittstelle zwischen ausgedehnten Quantenzuständen und der magnetischen Ordnung eines Materials. „In Zukunft könnte die Plattform genutzt werden, um das vom Kondensat emittierte Licht direkt mit magnetischen Zuständen zu koppeln und auf extrem kurzen Zeitskalen zu beeinflussen“, erläutert Ko-Erstautorin Dr. Niloufar Nilforoushan. Mikrowellenstrahlung kann dabei genutzt werden, um die magnetische Ordnung des Materials gezielt zu beeinflussen. Auf diese Weise ergeben sich vielversprechende Perspektiven für die Integration in magnetische Speicher sowie die effiziente Umwandlung von Mikrowellenstrahlung in optische Signale. Die magnetisch steuerbare Exziton-Polariton-Kondensation eröffnet damit völlig neue Möglichkeiten an der Schnittstelle von Quantenoptik und Spintronik und legt eine Grundlage für zukünftige Quantentechnologien.

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Rupert Huber
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: 0941 943-2071
E-Mail:

Originalpublikation:
H. Zhang, N. Nilforoushan, C. Weidgans, T. Inzenhofer, M. Liebich, J. Riepl, J. Hirschmann, I. Gronwald, K. Mosina, Z. Sofer, R. Tyagi, J. Wilhelm, F. Mooshammer, F. Dirnberger, and R. Huber, „Magnetic control of an exciton–polariton condensate in a van der Waals magnet“, Nature Materials (2026), DOI: 10.1038/s41563-026-02751-y