Quantenoptik in Halbleitern

Die Marburger Halbleitertheoretiker Stephan Koch, Mackillo Kira und Lukas Schneebeli haben ein neuartiges Konzept entwickelt, mit dem selbst in den experimentell bereits vorhandenen Systemen die echte quantenmechanische starke Kopplung nachgewiesen werden kann.

Teleportation und Verschränkung sind nur einige Beispiele der jüngsten spektakulären Erfolge quantenoptischer Untersuchungen mit kalten Atomgasen. „Für praktische Anwendungen, z. B. in der Quantenkommunikationstechnologie, der Quantenlogik oder dem Quantencomputer, ist es wünschenswert, derartige Effekte nicht nur in atomaren Systemen, sondern auch in Festkörpern, speziell in Halbleitern zu realisieren“, sagt Stephan Koch. Eines der Schlüsselphänomene hierbei ist das Phänomen der starken Licht-Materie Kopplung. Diese Situation wird erreicht, wenn die Wechselwirkung so stark ist, dass die separate Identität der optischen und Materialresonanzen aufgehoben wird. Der definitive Nachweis der starken Kopplung, der zweifelsfrei eine echte quantenoptische Konstellation identifiziert, wird oft als der ‚heilige Gral' der Quantenoptik angesehen.

In der Praxis bringt man geeignete Materie in einen Resonator hoher Güte, d. h. in eine hochwertig verspiegelte Umgebung, aus der das Licht nur schwer entweichen kann. Als Halbleitermaterialien kommen hierfür speziell so genannte Quantenpunkte in Frage, d. h. nanometergroße Halbleiterstrukturen, in denen die Elektronen eingefangen sind und quantisierte Zustände annehmen. In jüngster Zeit haben weltweit viele Forschungsgruppen versucht, derartige Quantenpunktsysteme in hochqualitativen Resonatoren herzustellen und zu vermessen. „Trotz all dieser Bemühungen steht der eindeutige Nachweis der starken Kopplung allerdings noch aus“, sagt Mackillo Kira.

Eines der Hauptprobleme bestehe darin, dass Quantenpunkte – im Gegensatz zu den Atomen in kalten Gasen – nicht einfach von ihren Umgebungseinflüssen isoliert werden können. Dadurch wird die Ankopplung an das Lichtfeld gestört, es kommt zu dem Effekt der Dephasierung, d. h. dem Verlust der genauen Information über die zeitliche Entwicklung der Signale. Effektiv verbreitert diese Dephasierung die optischen Resonanzen, sodass der Effekt der starken Kopplung entweder ganz verschwindet, oder zumindest nicht mehr einfach mit den üblichen Methoden nachgewiesen werden kann.

Zur Überwindung dieser Problematik haben die Marburger Halbleitertheoretiker Stephan Koch, Mackillo Kira und Lukas Schneebeli ein neuartiges Konzept entwickelt, mit dem selbst in den experimentell bereits vorhandenen Systemen die echte quantenmechanische starke Kopplung nachgewiesen werden kann. Diese Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ‚Physical Review Letters' veröffentlicht.

Die Autoren identifizieren die optimalen optischen Anregungsbedingungen (Lichtintensität und -frequenz) und zeigen, dass bei Messungen der so genannten Resonanzfluoreszenz, genau genommen der Statistik des von dem gekoppelten System spontan emittierten Lichtes, eine sehr starke Resonanz auftritt. Die experimentelle Beobachtung dieser Resonanz, die trotz der bereits erwähnten Depahsierungsprozesse relativ leicht möglich sein sollte, ist dann der definitive Nachweis der echten quantenoptischen starken Kopplung.

Angeregt durch die Marburger Vorhersagen haben internationale Forschungsgruppen mit dem Aufbau der Experimente begonnen. „Es ist damit zu rechnen, dass diese in absehbarer Zeit zum gewünschten Erfolg führen sollten“, hoffen die Marburger Physiker.

Quelle: Philipps-Universität Marburg

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  L. Schneebeli, M. Kira und S. W. Koch, Characterization of Strong Light-Matter Coupling in Semiconductor Quantum-Dot Microcavities via Photon-Statistics Spectroscopy, Phys. Rev. Lett. 101, 097401 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.097401
  http://arxiv.org/abs/0801.3604
• Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg:
  http://www.physik.uni-marburg.de