24.03.2023

Intensitätseffekt mit nur zwei Photonen

Zeitliche Verzögerung bei Lichtstreuung an Quantenpunkt bei nur zwei Photonen beobachtet.

Photonen interagieren im Vakuum nicht miteinander; sie können ungestört durcheinander hindurchfliegen. Das macht sie wertvoll für den Datentransfer, weil Informationen mit Licht­geschwindigkeit nahezu störungsfrei transportiert werden können. Nicht nur für die Daten­übermittlung, sondern auch in Mess­instrumenten ist Licht hilfreich, weil damit winzige Abstände bestimmt werden können, beispielsweise in der medizinischen Bild­gebung. Die Sensitivität solcher Messinstrumente ist dabei abhängig von der durch­schnittlichen Anzahl der Photonen im System.

 

Abb.: Die Grafik symbolisiert, wie Photonen gekoppelt werden, nachdem sie an...
Abb.: Die Grafik symbolisiert, wie Photonen gekoppelt werden, nachdem sie an einem künstlichen Atom – einem Quanten­punkt – in einem Hohlraum­resonator gestreut wurden. (Bild: U. Basel)

Auch wenn Photonen nicht untereinander wechselwirken, so interagieren sie doch mit anderen Materialien, beispielsweise wenn sie durch Glas hindurch­fliegen. Diese Interaktion ist normalerweise unabhängig von der Intensität des Lichts. Nur wenn man sehr energiereiches Laserlicht verwendet, beeinflusst die Intensität die Interaktion. In einer neuen Studie zeigten die Forscher nun einen solchen Intensitätseffekt für nur zwei Photonen. Sie wiesen nach, dass ein einzelnes Photon etwas langsamer durch ihr Messinstrument flog als zwei Photonen.

Damit demonstrierten die Forscher außerdem die von Einstein 1916 postulierte stimulierte Licht­emission erstmals für einzelne Photonen. Der Effekt war die Grundlage für die Erfindung des Lasers und ist zuvor nur bei einer großen Anzahl von Photonen beobachtet worden.

Um das Licht auf die beschriebene Weise zu manipulieren, erzeugte das Team in einem Halbleiter einen Hohlraum, der die Licht­teilchen festhielt, sowie ein künstliches Atom, einen Quantenpunkt. In diesem wurden die Photonen aneinander­gebunden, und es entstand ein neuer verschränkter Zustand – eine Art Schicksals­gemeinschaft, in der sich der Doppelpack anders verhält als einzelne Photonen.

Solches verschränktes Quantenlicht ermöglicht prinzipiell sensitivere Messungen mit höherer Auflösung. Da die Technik auf wenigen Photonen basiert, wäre sie auch bei lichtempfindlichen Proben von Vorteil, wie sie in der biologischen Mikroskopie häufig vorkommen, wo die aufzulösenden Strukturen zudem sehr klein sind.

Die Quantenpunkte stellte das Team um Arne Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum her. Die Experimente führte die Gruppe um Natasha Tomm und Richard Warburton von der Universität Basel durch. Die theoretischen Grundlagen legte Sahand Mahmoodian von der University of Sydney und von der Leibniz Universität Hannover. Die Forscher hoffen, dass ihre Experimente den ersten Schritt darstellen, um Quantenlicht für Anwendungen nutzbar zu machen.

RUB / DE

 

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