04.04.2022

Einzelne Photonen nach Maß

Lasergesteuerte Kontrolle der Energie und Polarisation der Photonen geglückt.

Physiker der Universität Paderborn haben ein neuartiges Konzept zur Erzeugung einzelner Photonen mit maßge­schneiderten Eigen­schaften entwickelt. Deren gezielte Manipulation gehört zu den wichtigsten Schlüsselelementen für photonische Quanten­technologien. „Entsprechende Quellen basieren meist auf Lichtemission aus einzelnen Halbleiter-Quanten­emittern, die die Photonen erzeugen. Dabei werden die Eigenschaften der ausge­sendeten Lichtteilchen durch die fixen Eigenschaften des Quanten­emitters bestimmt, was einer flexiblen Steuerung im Wege steht“, sagt Artur Zrenner, Leiter der Arbeitsgruppe „Opto­elektronik und Spektroskopie an Nano­strukturen“. 

Abb.: Mit diesem Laser-Experiment haben Paderborner Physiker einzelne Photonen...
Abb.: Mit diesem Laser-Experiment haben Paderborner Physiker einzelne Photonen nach Maß erzeugt. (Bild: M Groppe, U. Paderborn)

Um das Problem zu umgehen, haben die Wissenschaftler eine rein optische, nichtlineare Methode zur angepassten Steuerung der Einzel­photonen­emission entwickelt. Auf der Grundlage dieses Konzepts demonstrieren sie die laser­gesteuerte Kontrolle der Energie und Polarisation der Lichtquanten, also der Lichtfrequenz und Schwingungs­richtung der elektro­magnetischen Wellen. „Wir haben einen lasergesteuerten Umwandlungs­prozess aus einem angeregten Zustand des Halbleiter-Quanten­emitters in einen virtuellen Zwischen­zustand erzeugt, aus dem dann die Emission der einzelnen Lichtquanten erfolgte“, sagt Physiker Stefan Schumacher.

Die Ergebnisse markieren laut Zrenner einen wichtigen Schritt in Richtung maßge­schneiderter Einzel­photonen aus einem photonischen Quantensystem, das auf quanten­optischen Prinzipien beruht. An der Forschung waren verschiedene Wissenschaftler des Sonderforschungs­bereichs SFB – Transregio TRR 142 – Maßge­schneiderte nichtlineare Photonik: Von grundlegenden Konzepten zu funk­tionellen Strukturen – der Universität Paderborn beteiligt. Bei dem TRR erforschen sie die Grundlagen der Photonik und Quanten­optik, um im Bereich der Informations- und Kommunikations­technologie neue Wege zu beschreiten.

U. Paderborn / JOL

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