Gequetschtes Licht in Silizium
Mikro-Silizium-System erzeugt Licht mit weniger Quantenfluktuationen als üblicherweise im Vakuum.
Einen speziellen Lichttyp mit weniger Fluktuation kennt man als „gequetschtes Licht“. Er ist nötig um präzisere Messungen auf einem Niveau mit niedrigerer optischer Leistung durchzuführen als es für normales Licht erlaubt ist. Gequetschtes Licht wurde bereits produziert, bisher jedoch nicht stark verkleinert auf einem Silizium-Mikrochip. Das nun vorgestellte System produziert rauschunterdrücktes Licht so, dass es für eine Fülle von Sensor-Applikationen anwendbar wird. „Dieses System ermöglicht eine neue Reihe von Präzisionsmessungen und ist imstande, Standardlimits der Quantenmechanik zu übertreffen", sagt Oskar Painter, Professor für angewandte Physik am Caltech und Senior-Autor der Studie. „Das Experiment führt viele Aspekte unserer Arbeit in einem winzigen Mikrochip-Paket zusammen, an denen in der Quantenoptik und Präzisionsmessung über die letzten 40 Jahre geforscht wurde.“
Abb.: Elektromikroskopische Aufnahme des optomechanischen Silicium-Mikrochips. (Bild: Caltech / A. Safavi-Naeini, S. Groeblacher, J. Hill)
Erstmals erzeugten die Forscher gequetschtes Licht mit einem System aus einfachem Silizium. „Wir arbeiteten mit einem Material, das bezogen auf seine optischen Eigenschaften langweilig ist. Indem wir aber Löcher hineinstanzten, schufen wir optomechanische Strukturen, die auf Licht völlig neuartig reagierten“, so Painter. In diesem neuen System bringt ein Wellenleiter aus Silizium Laserlicht in einen optischen Resonator, der aus zwei winzigen Siliziumspiegeln besteht. Einmal dort angelangt, zirkuliert das Licht viele Male hin und zurück – dank der Löcher, die den Wellenleiter, im Prinzip nichts anderes als zwei einfache Balken aus Silizium, in hochreflektierende Spiegel verwandeln. Wenn Photonen auf die Spiegel treffen, bringen sie diese Balken nun zum Schwingen. Und der Teilchencharakter des Lichts bringt Quantenfluktuation ein, die wiederum diese Vibration beeinflussen.
Typischerweise bedeuten solche Fluktuationen, dass man, um ein Signal präzise auszulesen, die Leistung des Lichts erhöhen müsste, um das Rauschen zu überwinden. Aber erhöht man die Leistung des Lichts, entstehen wiederum neue Probleme, zum Beispiel, dass man einen Wärmeüberschuss in das System bringt. Idealerweise sollen also Messungen eine so niedrige Leistung wie nur möglich besitzen.
Und genau das macht das neu entwickelte System: Das Licht und die Siliziumbalken interagieren miteinander so stark, dass die Balken die Quantenfluktuationen wieder zurück auf das Licht übertragen – so wie bei rauschunterdrückenden Kopfhörern. Die Fluktuationen, welche die Balken bewegen, interferieren mit den Schwankungen des Lichts. Sie heben einander also auf und reduzieren so das Rauschen im Licht.
U. Wien / PH
