Photonen im Doppelpack

Quanten­effekte haben auch Auswir­kungen auf die Makrowelt. So ist aus der Forschung bekannt, dass Stäbchen-Seh­zellen aus den Augen eines Frosches sogar schon ein einzelnes Photon regis­trieren können. Forscher aus Singapur konnten nachweisen, dass selbst bei gleicher Hellig­keit der unter­schiedlichen Lichtarten, die Stäbchen-Zellen des Auges einen Unterschied zwischen klassischem Licht und Quanten­licht regis­trieren. Das ermöglicht völlig neuartige inter­disziplinäre Anwendungen für Quanten­lichtquellen in der Quanten­biologie, der Schnitt­menge zwischen Quanten­physik und Biologie.

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Während sich die Forschung im Bereich der Quanten­optik bisher noch weitest­gehend im Bereich der Grundlagen­forschung abspielte, wurden in den vergan­genen Jahren auch erheb­liche Fortschritte bei der Erzeugung nicht-klas­sischer Licht­zustände und damit in Richtung neu­artiger Anwen­dungen gemacht. Die Entwick­lung der ent­sprechenden Quanten­lichtquellen stellt jedoch weiterhin eine immense Heraus­forderung dar: „Schon die definierte Her­stellung einer Ein-Photonen­quelle – welche unter anderem für die Entwicklung von Systemen zur abhör­sicheren Daten­übertragung eingesetzt werden könnte – ist heute noch Hightech“, beschreibt Tobias Heindel, Mitar­beiter der Arbeits­gruppe von Stephan Reitzen­stein vom Fachgebiet Optoelektronik und Quantenbauelemente an der TU Berlin den Stand der Technik.

Dem Forscher­team ist es jetzt erstmals gelungen, gezielt eine Quanten­licht­quelle auf der Basis von Halbleiter-Quanten­punkten zu produ­zieren, die Photonen-Zwillinge erzeugen kann. Tobias Heindel, Alexander Thoma und weitere Mitarbeiter der Arbeits­gruppe setzten hierfür ein hochopti­miertes Quanten­bauelement ein. „In den letzten Jahren wurde hier in der Arbeits­gruppe eine spezielle, weltweit einzig­artige Technik, die 3D in-situ Elektronen­strahllitho­graphie entwickelt, bei der eine Mikro­linse exakt über einem wenige Nanometer großen Quanten­punkt posi­tioniert wird. Dieser Quanten­punkt kann quasi auf Knopfdruck Photonen aussenden, die durch die spezielle Mikrolinse in eine bestimmte Richtung gelenkt werden und damit detek­tiert werden können“, erläutert Heindel. Mit Hilfe spezieller Mess­verfahren konnten die Forscher nun einen bisher einzig­artigen Quanten­punkt isolieren, der in der Lage ist Zwillings-Photonen zu emit­tieren. „Unser nächstes Ziel ist es, eine Methode zu entwickeln, mit der jeder beliebige Quanten­punkt zu einer Licht­quelle von Photonen-Zwillingen gemacht werden kann.“

„Auch anderen Arbeits­gruppen ist es bereits gelungen, Zwillings-Photonen auf der Basis von natür­lichen Atomen oder nicht­linearen Kristallen zu erzeugen“, so Heindel. Der große Vorteil der Berliner Zwillings­photonen­quelle auf Basis von Quanten­punkten besteht jedoch darin, dass die Photonen­paare quasi auf Knopfdruck emittiert werden können. In Kombi­nation mit der Mikrolinsen­struktur wird so eine besonders helle Photonen­quelle erzeugt. „Unser Ansatz ermöglicht es, die Zahl der gene­rierten Photonen-Zwillinge aus dem Bauteil um einen Faktor fünf zu steigern“, berichtet Heindel. Um die emit­tierten Photonen­zwillinge direkt nachzu­weisen, griffen die Physiker in Zusammen­arbeit mit der Physi­kalisch Tech­nischen Bundes­anstalt Berlin auf einen hochempfind­lichen supra­leitenden Detektor zurück, der die Photonen­anzahl in einem Lichtpuls detek­tieren kann.

TU Berlin / JOL