12.05.2022

Kontrollierte Quelle für einzelne Photonen

Dynamik in Farbzentren in hexagonalem Bornitrid analysiert.

Ein wichtiger Baustein für angewandte Quanten­technologien sind Einzelphotonen­emitter – Materialien, die in schneller Folge einzelne Photonen aussenden. Ein genaues physikalisches Verständnis, wie Einzelphotonen­emitter aufgebaut sind und wie sie sich kontrollieren lassen, ist für deren möglichen Einsatz in zukünftigen Anwen­dungen nötig. Ein Team von Physikern der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und der Technischen Universität Breslau hat nun erstmals die schnelle Kontrolle von Einzel­photonenemittern innerhalb von Pikosekunden durch Laserimpulse in zweidimensionalem, hexagonalem Bornitrid systematisch untersucht. 

Abb.: Illustration von hexagonalem Bornitrid mit einem Farbzentrum, das mit...
Abb.: Illustration von hexagonalem Bornitrid mit einem Farbzentrum, das mit ultra­schnellen Laserpulsen beleuchtet wird. (Bild: J. Preuß, WWU)

„Hexagonales Bornitrid – kurz hBN – ist ein 2D-Material mit besonders interessanten Eigen­schaften“, sagt Daniel Wigger vom Institut für Theo­retische Physik der TU Breslau. „Unter anderem existieren in hBN-Kristallen Einzelphotonen­emitter, die im Gegensatz zu vielen anderen Systemen, bei denen extrem niedrige Temperaturen benötigt werden, auch bei Raum­temperatur funktionieren.“ Experten sind sich sicher, dass diese Einzel­photonenemitter dadurch entstehen, dass sich Fremdatome im hBN-Kristall befinden, was als atomarer Defekt oder Farbzentrum bezeichnet wird. Diese Farbzentren, deren genaue atomare Struktur noch nicht bekannt ist, nahmen die Forscher in ihrer aktuellen Arbeit unter die Lupe.

Sie gewannen ein umfassendes Verständnis der Dynamik innerhalb der Farbzentren im hBN-Kristall, indem sie ihre Experimente mit theo­retischer Modellierung kombi­nierten. Ein Augenmerk lag dabei auf dem Störfaktor Umgebung. Mikro­skopische Systeme werden durch verschiedene Wechsel­wirkungen mit der Umgebung beeinflusst, die sich als externes Rauschen auf verschiedenen Zeitskalen darstellen, beispiels­weise als leichtes Schwanken der Farbe der ausgesendeten Photonen. Insbesondere die Quanten­eigenschaften solcher Systeme reagieren darauf sehr empfindlich. Es kann zu Dekohärenz, einem Verlust der im System gespeicherten Quanten­information, kommen.

Das Team nutzte ultraschnelle Laser­impulse, um den Quantenzustand des atomaren Defekts zu präparieren und auszulesen. „Vereinfacht gesagt funk­tioniert die angewandte Technik wie ein Stroboskop“, sagt Steffen Michaelis de Vasconcellos vom Physikalischen Institut in Münster. „Ein erster Impuls erzeugt einen Quanten­zustand, der nach einer Wartezeit von einem zweiten Impuls ausgelesen wird. Ändert man den zeitlichen Abstand zwischen den beiden Laser­impulsen, kann man die zeitliche Änderung des Quanten­zustands und damit den Verlust der Kohärenz messen.“

Neben diesem zentralen Experiment untersuchten die Physiker sehr genau das Spektrum des Emitters. Die Experimente ergänzten sie um Computer­simulationen, die dieselben Parameter untersuchten. Besonderes Augenmerk galt dabei den Phononen – Schallwellen im Kristall –, die ein wesentlicher Störfaktor sein können. „Experiment und Theorie haben in unserer Studie ein konsis­tentes Bild ergeben“, sagt Daniel Wigger. Die Forscher betrachteten damit erstmals sowohl den dynamischen Charakter des Emitter­systems als auch dessen Lichtspektrum, um die Bedeutung externer Einflüsse auf verschiedenen Zeitskalen zu verstehen. Einerseits können Störungen so in potenziellen Anwen­dungen vermieden werden und andererseits können Phononen als quanten­mechanische Anregungen mit in techno­logische Anwendungen einbezogen werden.

WWU Münster / JOL

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