In die Faser gespiegelt
Physiker entwickeln Lichtquelle aus Nanodiamanten weiter und nutzen Spiegel zum Einkoppeln der einzelnen Photonen.
Moderne Kommunikationstechnologie basiert auf der Übertragung von Lichtimpulsen durch Glasfaserkabel. An die Stelle von Lichtimpulsen, die aus Bündeln von Lichtteilchen bestehen, sollen in Zukunft einzelne Lichtteilchen als Informationsträger treten – was unter anderem eine vollständig abhörsichere Datenübertragung in der Quantenkommunikation ermöglicht. Derzeit arbeiten Forscher an alltagstauglichen Lichtquellen, die einzelne Photonen emittieren. Physiker um Christoph Becher von der Universität des Saarlandes nutzen hierfür Nanodiamanten und haarfeine Glasfasern.
Abb.: Der Aufbau der neuartigen Lichtquelle: In der Mitte der Apparatur befindet sich einer der beiden Spiegel, auf dem die winzigen Diamanten aufgebracht sind. Diese werden mit einem grünen Lichtstrahl beleuchtet. Direkt daneben liegt die Glasfaser mit dem eingebauten zweiten Spiegel (rechts im Bild), die die von den Diamanten erzeugten Lichtteilchen transportiert. (Bild: AG Becher)
Die Diamanten, die die Forscher für ihre Experimente verwendet haben, sind weniger als hundert Nanometer groß. Dabei haben es die Physiker nicht auf die lupenreinen, sondern auf die verunreinigten Edelsteine abgesehen. „Für unsere Arbeiten brauchen wir Diamanten, die einen speziellen Defekt aufweisen“, erklärt Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. „Dieser besteht aus einem Stickstoffatom und einer angrenzenden Leerstelle in der Gitterstruktur des Diamanten.“ Bestrahlt man die Nanodiamanten nun mit einem Laser, beginnen diese Farbzentren Licht auszusenden – ebenso wie es Atome tun. „Dieses Licht verhält sich so, als ob es von einem einzelnen Atom stammen würde und besteht aus der gewünschten Abfolge einzelner Lichtteilchen“, erläutert Becher weiter.
Die Saarbrücker Physiker haben diese bekannte Lichtquelle nun weiterentwickelt. Hierfür haben sie einen Nanodiamanten zwischen zwei Spiegeln platziert. Die beiden sich gegenüber liegenden Spiegel bilden einen Lichtspeicher, in dem das Licht über 1000 Mal hin- und herreflektiert wird, bevor es durch einen der Spiegel entweichen kann. „Die intensive Wechselwirkung des gespeicherten Lichts mit dem Farbzentrum im Nanodiamanten führt zur Aussendung einzelner Lichtteilchen mit genau definierten Eigenschaften und mit hoher Effizienz. In gewissen Grenzen kann man sich dabei auch die Farbe des Lichtes aussuchen“, berichtet Becher. Je kleiner die Spiegel sind und umso geringer ihr Abstand, desto intensiver ist die Wechselwirkung im Lichtspeicher und desto besser lassen sich die Eigenschaften der einzelnen Lichtteilchen kontrollieren.
Das Besondere beim Versuchsaufbau der Saarbrücker Physiker ist die Anordnung der Spiegel: Einer der Spiegel sitzt direkt auf der Spitze einer haardünnen Glasfaser. „Die einzelnen Lichtteilchen werden auf diese Weise direkt in eine Faser ausgesandt – also dorthin, wo man sie für die Datenübertragung gerne haben möchte“, erklärt Roland Albrecht von der Universität des Saarlandes.
Im nächsten Schritt möchten die Forscher die Spiegel weiter verkleinern, um möglichst alle ausgesandten Lichtteilchen in der Glasfaser zu sammeln. Ferner versuchen sie den Nanodiamanten und die Glasfaser-Lichtspeicher auf Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt abzukühlen. „Dann verändern sich die Eigenschaften des Systems so, dass Quanteninformation zwischen dem Farbzentrum im Diamanten und den einzelnen Lichtteilchen ausgetauscht werden kann – die Schnittstelle für einen zukünftigen Quantencomputer oder die Übertragung von Quanteninformation über lange Strecken“, erklärt Becher.
UdS / AH
