Photonen exakter zählen

Die Photonen­statistik gibt unter anderem Aufschluss darüber, ob es sich um Laserlicht oder normales, thermisches Licht handelt. Bei starken Licht­quellen ist die Ent­scheidung zwischen dem kohärenten Licht eines Lasers und dem ther­mischen Licht zum Beispiel einer Kerze natur­gemäß sehr einfach. Kompli­zierter wird es bei schwachen Lichtpulsen, wie sie von nano­photonischen Licht­quellen ausgesendet werden. Gemeinsam mit der Physi­kalisch Technischen Bundes­anstalt PTB entwickelten Physiker der TU Berlin ein Mess­verfahren, das auch bei extrem schwachen Inten­sitäten die exakte Anzahl an Photonen misst.

Normalen Photo­dioden-Detektoren fehlt die nötige Empfind­lichkeit, um einzelne Photonen zu detektieren geschweige denn die exakte Anzahl der Photonen in Licht­pulsen zu bestimmen. Sie können beispiels­weise nicht zwischen einer Million oder einer Million plus ein Photonen unter­scheiden. Etwas einfacher wird es erstaun­licher Weise wieder bei Einzelphotonen­quellen, die man mit Klick-Detektoren charak­terisieren kann. „Offen blieb bislang der interes­sante Zwischen­bereich, in dem Mikrolaser, schwache Lichtpulse von rund einem bis vierzig Photonen emittieren. Diese speziellen Mikro­laser wurden zusammen mit Kollegen in der Gruppe von Sven Höfling an der Univer­sität Würzburg entwickelt“, sagt Elisabeth Schlott­mann aus der Arbeits­gruppe von Stephan Reitzen­stein

„Aufgrund unserer sehr guten und lang­jährigen Kooperation mit der PTB Berlin konnten wir gemeinsam mit den Kollegen in der Gruppe von Jörn Beyer einen ent­sprechenden Detektor, einen Transition Edge Detektor, in unseren Labors aufbauen und nutzen“, so die Wissen­schaftlerin. Das Detektor­system, das vom NIST (National Institute of Standards and Technology) in den USA und der PTB entwickelt wurde, wird knapp über dem absoluten Nullpunkt bei einer Temperatur von lediglich 100 Milli­kelvin betrieben. Damit ist es tat­sächlich möglich, genau zu messen, ob in einem Lichtpuls ein, zwei oder mehrere Photonen gleich­zeitig ankommen. „So einen Detektor kann man nicht einfach kaufen. Weltweit gibt es nur eine Handvoll solcher Detektor­systeme.“, ergänzt Reitzen­stein

„Mit diesem Detektor erhalten wir wesent­lich tiefer­gehende Infor­mationen zu einem Lichtpuls als normaler­weise möglich. So konnten wir beweisen, dass zwei Mikrolaser, die mit den bisher etablierten Mess­methoden vermeintlich dieselben Eigen­schaften zeigten, bei jedem Puls eine unter­schiedliche Photonen­verteilung aufweisen. Dabei bewegt sich die Anzahl der Photonen pro Puls in einer bestimmten Wahrschein­lichkeits­verteilung“, so Schlott­mann. Um die genaue Form der Wahr­scheinlichkeits­verteilung zu ermitteln, machte die Forscherin viele Millionen Messungen mit einzelnen Pulsen und bestimmte jeweils die exakte Photonen­zahl pro Puls. Aus den Ergeb­nissen fertigte sie eine Art Histo­gramm, mit dem sich Voraus­sagen machen lassen, mit welcher Wahrschein­lichkeit, ein bestimmter Mikro­laser bei einem bestimmten Puls eine genau bestimmte Zahl an Photonen emittiert.

„Der Detektor unterscheidet auch, ob es sich bei den Photonen um chaotisches – also thermisches – Licht handelt oder um eine kohärente Verteilung der Photonen, wie man sie bei Laserlicht erwartet. Damit können wir eine scharfe Trennung der Lichtpulse zwischen Laserlicht und ther­mischem Licht auch im Quanten­regime einzelner Photonen treffen. Interes­santerweise können Laserlicht und thermisches Licht die gleiche Leistung erbringen, sehen aber in dem Photonen-Histogramm ganz anders aus“, weiß Schlottmann. „Diese Art von Messungen für Mikro­laser gab es bislang gar nicht. Das ist auch ein wichtiges Ergebnis für alle Theo­retiker, die Voraussagen gemacht haben, wie die Photonen­verteilung bei den Mikrolasern aussehen sollte. Wir können jetzt erstmalig unter­suchen, ob die prognos­tizierte Verteilung der Realität entspricht oder ob die Theoretiker noch einmal scharf nachdenken müssen“, sagt Reitzen­stein.

TU Berlin / JOL