Quanten-Schallgerät ebnet Weg für Schall-Laser

Forscher der McGill University in Kanada haben einen neuartigen Quanten-Schallgenerator entwickelt, der winzige Schallteilchen, sogenannte Phononen, in kontrollierten Impulsen aussendet. Das Gerät arbeitet bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) und nutzt einen extrem dünnen Kristall, der nur wenige Atome dick ist. Elektronen werden durch diesen Kristall gejagt und geben dabei ihre überschüssige Energie als Schallvibrationen ab – ähnlich wie ein Überschallflugzeug einen Überschallknall erzeugt.

Die Forscher um Michael Hilke entdeckten, dass sich diese Phononen in vorhersagbaren, kontrollierbaren Mustern erzeugen lassen – ein entscheidender Schritt hin zu praktischen Anwendungen. Bisher war es extrem schwierig, Phononen gezielt zu erzeugen und zu nutzen. Die Experimente fanden bei Temperaturen zwischen 10 Millikelvin und 3,9 Kelvin statt, also nahe dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen Temperaturen verhalten sich Elektronen besonders geordnet, was die Beobachtung von Quantenphänomenen erleichtert.

„Bei absoluten Nulltemperaturen – also in der Welt der Quantenphysik – wird kein Schall erzeugt, es sei denn, Elektronen bewegen sich gemeinsam mit Schallgeschwindigkeit oder schneller“, erklärt Hilke. Frühere Arbeiten hatten ähnliche Effekte beobachtet, als Elektronen sich der Schallgeschwindigkeit näherten. Die neue Studie geht jedoch weit darüber hinaus und zeigt, dass bestehende Theorien überdacht werden müssen.

Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht. Die Forscher planen nun, das Gerät mit anderen Materialien wie Graphen zu bauen, um noch höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Langfristig könnten Phononen-Laser entstehen – Geräte, die kohärente Schallwellen aussenden, ähnlich wie ein Laser Licht. Diese könnten in der Kommunikation unter Wasser oder im menschlichen Körper eingesetzt werden, wo Licht und elektromagnetische Wellen versagen. Auch in der Medizintechnik, etwa für empfindlichere Diagnosegeräte, und in der Sensorik wären Anwendungen denkbar.