Von der zerstörungsfreien Bildgebung bis zur Herstellung von Computerchips können Menschen die scheinbar physikalischen Eigenschaften von Quasiteilchen nutzen. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat sich vorgenommen, die Grundlagen der Strahlungsphysik neu zu gestalten, in der Hoffnung, ultraleistungsstarke Lichtquellen zu entwickeln.In einer neuen Studie, die in Nature Photonics veröffentlicht wurde, schlagen Forscher des Instituto Supérieur de Portugal (IST), der University of Rochester, der University of California, Los Angeles und des French Laboratory of Optical Applications eine Möglichkeit vor, Quasiteilchen zu verwenden, um eine Lichtquelle zu schaffen, die genauso leistungsstark ist wie heutige hochmoderne Lichtquellen, aber kleiner.


Die Wissenschaftler untersuchten die einzigartigen Eigenschaften von Quasiteilchen im Plasma, indem sie fortschrittliche Computersimulationen auf Supercomputern durchführten, die vom European Joint Project on High Performance Computing bereitgestellt wurden. Sie schlagen vor, Quasiteilchen zu verwenden, um Lichtquellen zu schaffen, die so leistungsstark sind wie die heutigen hochmodernen Lichtquellen, aber viel kleiner. Bildnachweis: Bernardo Malaca

Quasiteilchen sind außergewöhnliche Einheiten, die durch die synchronisierte Bewegung mehrerer Elektronen entstehen. Faszinierend ist, dass sie mit beispielloser Geschwindigkeit fliegen können, sogar schneller als mit Lichtgeschwindigkeit, und ungewöhnlich starken Kräften standhalten, ähnlich denen, die in der Nähe von Schwarzen Löchern auftreten.

„Das Faszinierendste an Quasiteilchen ist, dass sie sich auf eine Weise bewegen können, die die Gesetze der Einzelteilchenphysik nicht zulassen“, sagte John Palastro, leitender Wissenschaftler am Laser Energetics Laboratory, Assistenzprofessor am Fachbereich Maschinenbau und außerordentlicher Professor am Institut für Optik.

Fortgeschrittene Forschung und mögliche Anwendungen Palastro und seine Kollegen untersuchten die einzigartigen Eigenschaften von Quasiteilchen im Plasma, indem sie fortschrittliche Computersimulationen auf Supercomputern durchführten, die vom European High-Performance Computing Joint Undertaking bereitgestellt wurden. Sie sehen vielversprechende Anwendungen für Quasiteilchen-basierte Lichtquellen, darunter zerstörungsfreie Bildgebung zum Scannen von Viren, das Verständnis biologischer Prozesse wie der Photosynthese, die Herstellung von Computerchips und die Erforschung des Verhaltens von Materie auf Planeten und Sternen.

„Die Flexibilität ist enorm“, sagte Bernardo Malaca, Hauptautor der Studie und Doktorand am IST. „Obwohl jedes Elektron eine relativ einfache Bewegung ausführt, kann die Gesamtstrahlung aller Elektronen die Strahlung eines Teilchens, das sich schneller als Licht bewegt, oder eines oszillierenden Teilchens nachahmen, selbst wenn sich kein lokales Elektron schneller als Licht oder ein oszillierendes Elektron bewegt.“

Quasiteilchenbasierte Lichtquellen bieten klare Vorteile gegenüber bestehenden Formen wie Freie-Elektronen-Lasern, die selten, sperrig und für die meisten Labore, Krankenhäuser und Unternehmen unpraktisch sind. Der in dieser Studie vorgeschlagenen Theorie zufolge können Quasiteilchen extrem helles Licht erzeugen, indem sie nur eine sehr kurze Distanz zurücklegen, was möglicherweise eine Vielzahl wissenschaftlicher und technologischer Fortschritte in Laboren auf der ganzen Welt auslöst.