Eine Flüssigkristallquelle für Photonenpaare

Die Aufspaltung eines einzelnen Photons in zwei Photonen ist ein nützliches Werkzeug der Quantenphotonik. Damit können verschränkte Photonenpaare, einzelne Photonen, gequetschtes Licht und sogar kompliziertere Lichtzustände erzeugt werden, die für optische Quantentechnologien unerlässlich sind. Dieser Prozess wird als parametrische Fluoreszenz oder, auf Englisch, „Spontaneous Parametric Down-Conversion“ SPDC bezeichnet.

SPDC ist eng mit der Zentralsymmetrie verbunden. Dabei handelt es sich um die Symmetrie in Bezug auf einen Punkt. Ein Quadrat beispielsweise ist zentralsymmetrisch, ein Dreieck jedoch nicht. SPDC bricht die Zentralsymmetrie in ihrem Wesen – der Aufspaltung eines Photons in zwei – auf. Daher ist sie nur in Kristallen möglich, deren Elementarzelle zentral asymmetrisch ist. Gewöhnliche Flüssigkeiten oder Gase sind isotrope Materialien und eine SPDC daher ausgeschlossen.

Kürzlich haben Forscher jedoch Flüssigkristalle entdeckt, die eine andersartige Struktur aufweisen, die ferroelektrischen nematischen Flüssigkristalle. Trotz ihres flüssigen Aggregatzustands weisen diese Materialien einen starken Bruch der Zentralsymmetrie auf. Ihre Moleküle sind lang gestreckt, asymmetrisch und, was sie sehr interessant für die Quantentechnologie macht. Ihre Orientierung kann durch ein äußeres elektrisches Feld neu ausgerichtet werden. Die Neuausrichtung der Moleküle verändert die Polarisation der erzeugten Photonenpaare sowie ihre Erzeugungsrate. Mit einem geeigneten Behältnis kann eine Probe dieses Materials ein sehr nützliches Bauteil sein: Es erzeugt effizient Photonenpaare, kann leicht mit einem elektrischen Feld durchvariiert und darüber hinaus in komplexere Geräte integriert werden.

Mit Proben, die am Jozef-Stefan-Institut in Slowenien aus einem ferroelektrischen nematischen Flüssigkristall hergestellt wurden, haben Forscher des MPI für die Physik des Lichts zum ersten Mal SPDC in einem Flüssigkristall realisiert. Dabei ist die erreichte Effizienz zur Erzeugung verschränkter Photonen etwa so hoch wie die von besten nichtlinearen Kristallen mit ähnlicher Dicke, etwa wie die von Lithiumniobat. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes von nur wenigen Volt konnten die Wissenschaftler die Erzeugung von Photonenpaaren ein- und ausschalten und die Polarisationseigenschaften dieser Paare verändern. Diese Entdeckung ist der Beginn einer neuen Generation von Quantenlichtquellen: flexibel, abstimmbar und effizient.

MPL / RK