Brückenschlag zwischen Nanophotonik und Nanomechanik
Ein photonischer Kristall rückt eine akustisch gesteuerte „Einzelphotonenquelle“ in greifbare Nähe.
Forschern vom „Augsburg Center for Innovative Technologies" (Acit) sowie vom „Center for NanoScience“ (Cens) und dem Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (Nim) ist es gemeinsam mit Kollegen vom „California Nano Systems Institute“ (CNSI) an der University of California in Santa Barbara (UCSB) gelungen, eine Brücke zwischen Nanophotonik und Nanomechanik zu schlagen: Sie berichten über einen durch Ultraschall steuerbaren photonischen Kristall, in dem quantenmechanische Effekte dafür sorgen, dass Photonen mit hoher Effizienz und sehr schnell erzeugt und moduliert werden können.
Abb.: Unter dem Einfluss einer akustischen Oberflächenwelle wird ein photonischer Kristall periodisch räumlich und zeitlich moduliert. Dadurch ist es möglich, die Frequenz des abgestrahlten Lichts um mehrere Linienbreiten spektral zu verschieben. (Bild: H. Krenner)
Die Forscher stellten eine frei tragende, hauchdünne Membran aus einem Halbleitermaterial her, in die mit Methoden der Nanotechnologie eine grosse Zahl periodisch angeordneter winziger Löcher geätzt wurde. In diesem photonischen Kristall konnte sich das Licht nur in einem engen Frequenzbereich und entlang ausgezeichneter Richtungen ausbreiten. Als Lichtquelle wurden in den Kristall Quantenpunkte integriert, die einzelne Photonen einer ganz bestimmten Wellenlänge aussandten.
Bislang war es allerdings technologisch nicht möglich, die Frequenz bzw. Wellenlänge der Quanten-Punkte exakt auf den Durchlassbereich des photonischen Kristalls abzustimmen. Denn um dies zu erreichen, müssen die Lichtquellen und der Durchlassbereich bis auf deutlich weniger als einen Nanometer zur Deckung gebracht werden. Gelingt dies jedoch, kann bei genügend hoher Güte des photonischen Kristalls das Lichtfeld des Emitters mit dem Kristall in Resonanz gebracht werden. Der quantenmechanische „Purcell-Effekt“ sorgt dann dafür, dass eine immens erhöhte Lichtausbeute erzielt werden kann.
Dieses Problem haben die Forscher aus Augsburg und Santa Barbara nun ebenso einfach wie elegant gelöst: Durch den Einsatz akustischer Oberflächenwellen, war es möglich, die Halbleitermembran mit ihren vielen, präzise angeordneten Löchern zusammen mit den Quantenpunkten bei Mikrowellenfrequenzen periodisch zu dehnen und zu strecken. Durch diese periodische Verformung wurde innerhalb einer drittel Nanosekunde auch der Durchlassbereich des photonischen Kristalls periodisch hin- und hergeschaltet und mit dem Licht der Quantenpunkte in Resonanz gebracht - und zwar zehnmal so schnell und wesentlich präziser als mit bisherigen Ansätzen.
In der Augsburger Arbeitsgruppe werden akustische Oberflächenwellen für ganz unterschiedliche Zwecke über die Chips gejagt: In einem vielfältigen Spektrum, das von Bio-Chips zur Untersuchung einzelner Zellen über die Vervielfältigung genetischen Materials oder das Verständnis biophysikalischer Phänomene wie der Blutgerinnung bis hin zur Untersuchung des Quanten-Hall-Effekts und Metall-Isolator-Übergängen reicht, haben die akustischen Wellen in den vergangenen Jahren immer wieder neue Forschungsergebnisse ermöglicht.
Die Forscher sagen, sie seien davon überzeugt, dass basierend auf den Ergebnissen der Kooperation in Kürze eine hoch effiziente, akustisch gesteuerte Einzelphotonenquelle realisiert werden könne, wie sie für Anwendungen in der Quantenoptik, in der Kryptographie oder auch für einen „optischen Computer“ dringend benötigt würde.
U. Augsburg / PH
