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Vereinende Aspekte von klassischer Mechanik und Quantenmechanik

Klassische Lichtwellen und quantenmechanische Materiewellen weisen bemerkenswerte Ähnlichkeiten auf, wenn es um bestimmte dynamische Eigenschaften geht. Wissenschaftler haben nun ihre vereinende Natur mit beeindruckenden Anwendungsmöglichkeiten aufgedeckt.
Vereinende Aspekte von klassischer Mechanik und Quantenmechanik
Phänomene, die sowohl in der klassischen Mechanik als auch in der Quantenmechanik gegeben sind, erzeugen immenses Interesse in Bezug auf ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Spintronik, dem Quantencomputer und anderen Bereichen. Techniken und Experimente, die im Reich der modernen Optik möglich sind, etwa in der Photonik, bieten die Gelegenheit, quantenmechanische Konzepte in Systemen der klassischen Mechanik zu testen, beispielsweise in optischen oder elektromagnetischen (EM) Systemen.

Wissenschaftler haben das EU-finanzierte Projekt "Geometrical aspects of spin and vortex dynamics in electromagnetic and matter waves" (SPIVOR) ins Leben gerufen, um die Ähnlichkeiten in den Spin- und Wirbeldynamiken in klassischen und quantenmechanischen Systemen zu analysieren. Spin ist eine strikt quantenmechanische Größe für Elementarteilchen, eine wesentliche Form des Drehimpulses, die nichts mit Rotation zu tun hat (im Gegensatz zum orbitalen Drehmoment) und in konkreten Werten gequantelt ist. Er ist auch charakteristisch für Elektronen und Photonen, die Quanteneinheit der EM-Strahlung.

Die meisten Partikel mit Spin haben ein magnetisches Moment, und quantenmechanische, magnetische Wirbel – kleine Orkane aus Magnetismus, die nur wenige Atome breit sind – haben enorme Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie möglicherweise in Magnetspeichern eingesetzt werden können. SPIVOR befasste sich mit den Herausforderungen der Spin-Bahn-Kopplung (SOI, spin-orbit coupling) und dem Drehimpuls (AM, angular momentum) in der Optik und der Quantenmechanik mit möglichen Anwendungen in der Faseroptik, bei Metamaterialien (die Eigenschaften aufweisen, welche in der Natur nicht vorkommen) und die Fernerkundung turbulenter Atmosphäre.

Die Forscher entwickelten theoretische Beschreibungen der Phänomene, die dann zur Verifikation experimentell getestet wurden. Die Ergebnisse vereinigten bisher getrennte Aspekte, und hoben so grundlegende Wechselbeziehungen zwischen ihnen hervor und führten zu einem ungemein tieferen Verständnis von SOI und AM in optischen Wellen und Elektronenwellen. Außerdem entwickelten die Projektmitglieder neuartige Methoden zur Manipulation und Messung von Phänomenen bei Materialien und Nanostrukturen, die zweifellos zusammenhängende Fachgebiete wie die Opto-Elektronik, Magneto-Elektronik und Spintronik voranbringen werden.

Durch SPIVOR wurde die vereinende Natur von Spin- und Wirbeldynamiken in klassischem Licht und quantenmechanischen Elektronenwellen aufgedeckt und ein tieferes grundsätzliches Verständnis einer Vielzahl von beeindruckenden Anwendungen geschaffen.

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