Licht steuert Licht

Im Rahmen des Sonderforschungs­bereiches TRR 142 „Tailored nonlinear photonics” ist es den Arbeitsgruppen um Stefan Schumacher und Artur Zrenner, beide Department Physik der Universität Paderborn, in einem theoretisch-experimentellen Kollaborations­projekt gelungen, eine auf einer kompakten Halbleiter­struktur basierende, neuartige Quelle zur Erzeugung einzelner Lichtteilchen mit maß­geschneiderten Eigenschaften zu erfinden. Die Eigenschaften des einzelnen Lichtteilchens können flexibel mit Licht kontrolliert werden.

Einzelne Lichtteilchen spielen eine wichtige Rolle in der sicheren Kommunikation der Zukunft, der sogenannten Quantenkommunikation. Halbleiter­quanten­punkte stellen eine der am besten untersuchten und am besten zu kontrollierenden Quellen einzelner Photonen dar, die es im Prinzip erlauben, einzelne Photonen quasi auf Knopfdruck zu erzeugen. In früheren Studien wurden dabei die Licht­teilchen durch Emission vom niedrigsten angeregten Zustand, dem sogenannten Exziton, des Halbleiter­quanten­punktes erzeugt.

„In unserer aktuellen Arbeit stellen wir ein ganz neues Konzept dazu vor,“ sagt Stefan Schumacher, Leiter der Studie. Das Neuartige daran ist, dass das einzelne Lichtteilchen durch Emission von einem höheren, doppelt angeregten Zustand, dem sogenannten Biexziton, erzeugt wird. Dabei wird die direkte Emission zweier Photonen vom Biexziton genutzt. „Das mag zunächst unnötig kompliziert klingen, um nur ein einzelnes Photon zu erzeugen“, sagt Stefan Schumacher: „Aber nur so lässt es sich ausnutzen, dass die zwei emittierten Photonen entsprechend fundamentaler physikalischer Gesetze wie Energie- und Drehimpuls­erhaltung zueinander komplementäre Eigenschaften haben.“ Die Eigenschaften des einen Photons werden gezielt eingestellt, indem seine Emission mit einem Laserpuls stimuliert wird. Die Eigenschaften des Photons von Interesse, des zweiten spontan emittierten Photons, sind dann festgelegt.

Damit lassen sich durch einfaches Einstellen der Eigenschaften des stimulierenden Lasers ganz bequem die Eigenschaften des einzelnen Photons wie Polarisation, Frequenz und Zeitpunkt der Emission kontrolliert und nach Maß einstellen. „Wir steuern also die Erzeugung eines einzelnen Lichtquants mit Licht“, führt Stefan Schumacher aus. Diese Flexibilität und rein optische Kontrolle der Eigenschaften eines einzelnen Lichtteilchens konnte bisher nicht erreicht werden. Bei früheren Ansätzen sind die Eigenschaften des einzelnen Photons bereits weitgehend durch die verwendete Halbleiter­struktur starr festgelegt. „Hier sind wir völlig flexibel“, ergänzt Dirk Heinze, Doktorand in dem Projekt.

U. Paderborn / DE