Erstmals Wiederkehr von Rabi-Oszillationen in Halbleiter-Quantenpunkten nachgewiesen

Physiker der Universität Paderborn haben erstmals experimentell die „Wiederkehr“ von Rabi-Oszil­la­tio­nen in Halb­leiter-Quan­ten­punk­ten nachgewiesen. Das Phänomen, das 2007 theoretisch vorhergesagt wurde, beschreibt die Abnahme der Emmissionsintensität der Quantenpunkte, die durch Wechselwirkungen mit den Gittervibrationen eines Festkörpers zunächst gedämpft werden. Erst durch eine ausreichend starke Lichtanregung kann die ursprüngliche Intensität wiederhergestellt werden und die Oszillation „erwacht“: ein Effekt, der bislang nur in idealisierten theoretischen Modellen existierte und nun bewiesen wurde. Die Ergebnisse markierten einen entscheidenden Schritt hin zu skalierbaren Quantenanwendungen.

„Es ist ein Meilenstein, dass wir diesen fundamentalen quantenmechanischen Effekt nun endlich experimentell beobachten und nachvollziehen können“, sagt Klaus Jöns, Leiter der Arbeitsgruppe Hybrid Quantum Photonic Devices am Department Physik. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir mit Halb­leiter-Quanten­punk­ten heute in der Lage sind, quantenoptische Prozesse mit einer Präzision zu steuern, die früher nur mit natürlichen Atomen möglich war“, so Jöns weiter.

Mehr zu Rabi-Oszillationen

Philip Willke • 9/2022 • Seite 56

Oberflächliche Quantenkontrolle

Philip Willke und Andreas Heinrich • 7/2021 • Seite 39

In Resonanz – Atom für Atom

Adriana Pálffy-Buß • 9/2019 • Seite 51

Quantendynamik mit Kern

Sebastian Hofferberth und Christian Groß • 3/2019 • Seite 40

Hoch angeregt und kontrolliert

Der Nachweis gelang dem Team dank der langjährigen Erfahrung mit speziellen GaAs-Quan­ten­punkt­pro­ben, die in enger Zusammenarbeit mit Armando Rastelli von der Johannes-Kepler-Uni­ver­si­tät Linz entwickelt wurden. Die experimentellen Daten wurden gemeinsam mit der Arbeitsgruppe „Theorie funktionaler photonischer Strukturen“ von Stefan Schumacher, ebenfalls vom Department Physik der Universität Paderborn, und der Arbeitsgruppe von Doris Reiter, TU Dortmund, analysiert und verifiziert. „Unsere theoretischen Modelle konnten die experimentellen Befunde nicht nur erklären, sondern auch verfeinern“, sagt Schumacher. „Die Wiederkehr der Rabi-Oszillationen ist kein isolierter Effekt, sondern ein klarer Hinweis auf die hohe Kohärenz und Kontrollierbarkeit der Quantenpunkte.“ Die Forschung an und mit Quanten betreiben die Physiker am Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn, wo sie u. a. in den Bereichen Quan­ten-Simu­la­tion, -Kommunikation, -Metrologie und -Computing tätig sind.

„Die Kontrolle solcher quantenmechanischen Prozesse mit Halbleitertechnologie ist ein Sprung vorwärts für die Entwicklung von Quantencomputern, Quantenkommunikationssystemen und neuartigen photonischen Bauelementen“, betont Jöns. „Wir beweisen, dass künstliche Atome in Halbleitern mittlerweile eine Qualität erreicht haben, die den Vergleich mit natürlichen Atomen nicht mehr scheuen müssen.“ [U Paderborn / dre]