Feine Leuchten
Speziell strukturierte Nanofasern dienen als abstimmbare Mikroresonatoren.
Einem internationalen Team aus Forschern der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und der Universität Kyoto in Japan ist es gelungen, durch Einsatz einer neuartigen strukturierten Nanofaser die Emission von einzelnen Lichtteilchen zu verstärken. Bei dem Experiment konnte nicht nur eine außerordentlich große Anzahl an Photonen erzeugt werden, sondern es gelang auch, deren Wellenlänge genau einzustellen. Über die Faser können diese maßgeschneiderten Lichtteilchen für Anwendungen in den neuen Quantentechnologien direkt verfügbar gemacht werden.
Abb.: Skizze einer Nanofaser (Bild: A. W. Schell et al.)
Die strukturierte Nanofaser ist eine spezielle Sorte von Mikroresonatoren, mit denen sich grundlegende physikalische Effekte auf dem Gebiet der Quantenoptik untersuchen lassen. Mikroresonatoren speichern Licht einer bestimmten Wellenlänge über einen sehr langen Zeitraum und verstärken dieses zusätzlich. Wechselwirkungen zwischen Photonen und einer kleinsten Menge von Materie – bis hinab zum einzelnen Atom – können so kontrolliert untersucht, verstärkt und auch genutzt werden. „Die von dem Forscherteam verwendeten Mikroresonatoren wurden bereits im Jahr 2010 in Japan zum Patent angemeldet. Doch erst jetzt war es uns möglich, diese auch tatsächlich herzustellen. Denn der Prozess ist äußerst anspruchsvoll“, sagt Oliver Benson, Leiter der Arbeitsgruppe Nanooptik am Institut für Physik der HU.
„Zur Herstellung verwendeten wir einen fokussierten Strahl bestehend aus Gallium-Ionen, um kleinste Strukturen auf eine sehr dünne Glasfaser zu gravieren. Der Durchmesser dieser optischen Nanofaser ist über einhundert Mal kleiner als der eines menschlichen Haares.“ Kleine Halbleiterkristalle mit einer Größe von nur wenigen Nanometern dienten als Quellen für die Lichtteilchen. Diese Kristalle wurden gezielt auf den strukturierten Bereich der Nanofaser gelegt. Als Ergebnis wurde die Lichtemission verstärkt und Photonen direkt in die Glasfaser emittiert.
Ein Mikroresonator kann nur Licht einer bestimmten Wellenlänge speichern und verstärken. Soll dieses Licht mit bestimmten Molekülen oder Atomen gekoppelt werden, zum Beispiel für molekulare oder atomare optische Schalter, muss man den Resonator passgenau abstimmen. Den Forschern ist dies durch einen einfachen Mechanismus gelungen: Durch Ziehen an der Nanofaser kann sie kontrolliert verformt und somit die Eigenschaften des Resonators gezielt verändert werden. In einem System mit vielen verschiedenen Schaltelementen können diese – analog zu den Instrumenten eines Orchesters – aufeinander abgestimmt werden. Ein gezieltes Zusammenspiel wäre die Grundlage für einen integrierten optischen Quantenchip, der für das Quantenrechnen auf Quantencomputern erforderlich ist.
Derzeit arbeiten die Forscher daran, die Mikroresonatoren weiter zu verbessern und neben Halbleiterkristallen auch andere optische Emitter anzukoppeln. „Dies würde den Bereich möglicher Anwendungen weiter ausdehnen. Ein Beispiel aus der Telekommunikation wäre die sichere Datenübertragung mit Hilfe der Quantenkryptographie. Weiterhin könnte vielleicht nur ein einzelnes an die Faser gekoppeltes Molekül als Nanosensor eingesetzt werden. Ein solcher Sensor wäre der kleinstmögliche überhaupt und könnte mit bislang unerreichter Genauigkeit winzigste Subtanzmengen aufspüren“, fasst Benson die Ergebnisse zusammen.
HU / DE
