Research Highlights

Forschern des Instituts für Quantenelektronik der ETH Zürich ist es gelungen, Terahertz-Solitonen in einem ringförmigen Quantenkaskadenlaser zu beobachten.

Nicht nur für unsere alltägliche Mobilität sind Verkehrsbehinderungen ein Ärgernis, auch für kleinste Teilchen wie Elektronen können diese negative Konsequenzen mit sich bringen. Wollen Physikerinnen und Physiker sehr schnelle Dynamik in der Materie mittels weicher Röntgenstrahlung untersuchen, ist freie Bahn für Elektronen gefordert.

Forschende in der Gruppe von Prof. Jonathan Home haben eines der wichtigsten Schemata für die Quantenfehlerkorrektur modifiziert und gezeigt, dass sie damit in Experimenten die Lebensdauer von Quantenzuständen erheblich verlängern können – eine entscheidende Komponente für künftige skalierbare Quantencomputer.

Der Nachweis von Elektrolumineszenz bei Terahertz-Frequenzen aus einer Silizium-Germanium-Legierung markiert einen wichtigen Schritt in Richtung des lang ersehnten Ziels eines Lasers auf Siliziumbasis.

ETH-Forschende haben die erste Laserquelle mit hoher Wiederholungsrate entwickelt, die kohärente weiche Röntgenstrahlen über das gesamte «Wasserfenster» hinweg erzeugt. Dieser technologische Durchbruch sollte ein breites Spektrum von Studien ermöglichen, in der Biologie, der Chemie und den Materialwissenschaften wie auch in der Physik.

Die Dynamik von Elektronen ändert sich bei jeder Wechselwirkung mit einem Photon. Die Gruppe von Prof. Ursula Keller hat nun ein solches Wechselspiel in seiner wohl reinsten Form gemessen – sie haben die Änderungen im Attosekundenbereich aufgezeichnet, die bei Einphotonenübergängen in einem ungebundenen Elektron entstehen.

Die Erzeugung von Photoelektronen durch Ionisation ist einer der grundlegendsten Prozesse in der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Es bleiben jedoch grundlegende Fragen, wie Photonen ihren linearen Impuls auf Elektronen übertragen. Mit der ersten Sub-Femtosekunden-Untersuchung des linearen Photonenimpulstransfers während eines Ionisationsprozesses haben ETH-Forschende nun beispiellose Einblicke in die Entstehung von Photoelektronen gewonnen.

Mit der Demonstration eines Sub-Pikosekunden-Dünnscheiben-Laseroszillators mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 350 W setzt die Gruppe von Ursula Keller einen neuen Massstab, und ebnet den Weg zu noch leistungsstärkeren Lasern.

Die Gruppe von Tilman Esslinger hat einen neuen Ansatz entwickelt, um quantisierte Eichfelder zu konstruieren, die an ultrakalte Materie gekoppelt sind. Die Methode könnte die Grundlage bilden für eine vielseitige Plattform, um verschiedenste Probleme anzugehen, in der Festkörperphysik wie auch in der Hochenergiephysik.

ETH Forschende haben gemessen, wie Elektronen in Übergangsmetallen in Bruchteilen eines optischen Schwingungszyklus umverteilt werden. Die Elektronen konzentrieren sich in weniger als einer Femtosekunde um die Metallatome. Diese Umverteilung könnte wichtige makroskopische Eigenschaften von Verbindungen mit Übergangsmetallen – wie Leitfähigkeit, Magnetisierung oder optische Charakteristiken – beeinflussen, welche sich somit auf kürzesten Zeitskalen steuern lassen könnten.

In sogenannten Polaritonen sind Licht- und Materiezustände stark miteinander gekoppelt. Die Gruppe von Prof. Ataç İmamoğlu hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, um nichtlineare optische Eigenschaften solcher "Quasiteichen" in stark korrelierten elektronischen Zuständen zu untersuchen. Sie eröffnen damit neue Perspektiven sowohl für die Photonik wie auch für die Erforschung von exotischen Vielteilchenzuständen.

Die Gruppe von Jérôme Faist am Institut für Quantenelektronik realisierte den ersten Terahertz-Quantenkaskadenlaser, der ohne kryogene Kühlung funktioniert. Dieser Durchbruch sollte den Einsatz dieser Laser in einer Vielzahl von praktischen Anwendungen ermöglichen.

Der Einstein-de-Haas-Effekt, der vor mehr als hundert Jahren erstmals demonstriert wurde, bietet eine faszinierende Verbindung zwischen Magnetisierung und Rotation in ferromagnetischen Materialien. Ein Team um den ETH-Physiker Steven Johnson zeigt nun, dass der Effekt auch eine zentrale Rolle in Prozessen spielt, die auf der Pikosekunden-Zeitskala ablaufen. Sie liefern damit wichtige Erkenntnisse über Materialien, die als Grundlage für neuartige Elektronikbausteine dienen könnten.

In einer Attosekundenstudie des H₂-Moleküls haben Physikerinnen und Physiker an der ETH gezeigt, dass für leichte Atomkerne — wie sie in den meisten organischen und biologischen Molekülen enthalten sind — die Korrelation zwischen Elektronen- und Kernbewegungen nicht ignoriert werden kann.

In einem Halbleiter können Elektronen durch Absorption von Laserlicht angeregt werden. Fortschritte während des letzten Jahrzehnts haben die Messung dieses Vorgangs auf Zeitskalen unterhalb einer Femtosekunde ermöglicht. ETH-Physiker haben nun erstmals die Dynamik von Elektronen in Galliumarsenid im Attosekundenbereich aufgelöst und unerwartete Erkenntnisse für zukünftige ultraschnelle optoelektronische Komponenten im Petahertz-Bereich gewonnen.

Ultraschnelle Laser mit Pulswiederholfrequenzen von mehreren Gigahertz sind für Anwendungen wünschenswert, die hohe Abtastraten oder auflösbare Frequenzkammlinien erfordern. ETH-Forscher haben nun ein hartnäckiges Probleme in diesem Feld gelöst, welches den Fortschritt in Richtung diodengepumpter ultrakurzer Gigahertz-Festkörperlaser behindert hat.

Experimente mit Atomen in einem geschüttelten künstlichen Kristall aus Licht bieten neue Einblicke in die Physik von Quanten-Vielteilchensystemen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten für die Entwicklung zukünftiger Datenspeichertechnologien hilfreich sein.

Die Rastergatemikroskopie wird normalerweise dazu verwendet, die örtliche Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit in Halbleiterbauelementen zu erfassen. ETH-Physiker haben sich nun die Methode zu eigen gemacht um kalte neutrale Atome abzubilden, wie sie durch Verengungen transportiert werden, die so eng sind, dass Quanteneffekte ins Spiel kommen. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial, neutrale Atome dazu zu verwenden, den elektronischen Transport durch Nanostrukturen zu simulieren.

Das kontrollierte Shutteln von Ionen durch Laserstrahle sollte skalierbare Quantencomputer ermöglichen.