Ein Forscherteam des Paul-Drude-Instituts in Berlin, Deutschland, und des Instituto Balseiro in Bariloche, Argentinien, hat eine bedeutende Entdeckung im Bereich der Quantenphysik gemacht. Sie haben das Auftreten eines neuen Quasiteilchens namens Phonoriton nachgewiesen, das eine Kombination aus einem Photon (Lichtteilchen), einem Phonon (Schallteilchen) und einem Halbleiter-Exziton ist. Diese Entdeckung hat das Potenzial, eine kohärente Umwandlung von Informationen zwischen dem optischen und dem Mikrowellendomäne zu ermöglichen, was verschiedene Bereiche wie die Photonik, die Optomechanik und die optische Kommunikationstechnologie begünstigen könnte.

Die Forscher ließen sich von der Energieübertragung zwischen zwei gekoppelten Oszillatoren inspirieren, ähnlich wie bei zwei Pendeln, die durch eine Feder verbunden sind. Im Bereich starker Kopplung oszilliert die Energie kontinuierlich zwischen den beiden Oszillatoren. Im Fall von photonischen oder elektronischen Quantenzuständen ist eine starke Kopplung entscheidend für die Kontrolle und den Austausch von Quantenzuständen.

Bei hybriden quantenmechanischen Systemen ist jedoch eine kohärente Informationsübertragung zwischen Oszillatoren mit unterschiedlichen Frequenzen erforderlich. Zum Beispiel arbeiten Quantencomputer mit Mikrowellen-Qubits, während quantenmechanische Informationen effizient mit nahem Infrarotphotonen übertragen werden. Um diese bidirektionale und kohärente Informationsübertragung zu ermöglichen, wird eine dritte Teilchenart benötigt, die sich effizient sowohl mit Mikrowellen-Qubits als auch mit Photonen koppeln kann. Ein Kandidat für diese Funktion ist die Gitterschwingung, auch bekannt als Phonon.

Die Forscher erzeugten Polaritonen, die das Ergebnis der starken Kopplung von Photonen und Exzitonen in einem gemusterten Mikrokavitätsresonator sind. Durch das Einspritzen weiterer Polaritonen in die Falle erzeugten sie zwei Polaritonkondensate. Wenn die Energieabstände zwischen den beiden Lichtströmen mit der Energie des Phonons übereinstimmten, kam es zur Synchronisation der beiden Polaritonflüssigkeiten. Diese Synchronisation war auf eine Kombination von Wechselwirkungen zwischen Polaritonen und die effiziente Übertragung von Polaritonen durch Phononen zurückzuführen.

Die Forscher konnten das Gerät kontrollieren und Phononen mithilfe eines piezoelektrischen Transducers in die Falle einspritzen. In Anwesenheit der eingespritzten Phononen transformierte sich das Phonoritonspektrum in eine Reihe schmaler Resonanzen, was eine bidirektionale Umwandlung von Mikrowellen in optische Signale demonstrierte.

Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für die kohärente Übertragung von Informationen zwischen Mikrowellen- und optischen Domänen. Durch die Nutzung der Eigenschaften von Phonoritonen können Fortschritte in den Bereichen Photonik, Optomechanik und optische Kommunikationstechnologien erzielt werden.