15.08.2014

Philipps-Universität Marburg

Quantenoptisches System speichert Informationen

Ein „Quantengedächtnis“ ist die Ursache unerwarteter Oszillationen, die bei optischen Experimenten mit einem mikroskopisch kleinen Lasersystem auftreten, in dem sich Halbleiter-Quantenpunkte befinden. Dieses Ergebnis der Theorie-Experiment-Zusammenarbeit von Physikern aus Marburg, Dortmund, St. Petersburg und dem US-amerikanischen Notre Dame wird in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht, die am 15.08.2014 erscheint.

Das Team um Professor Dr. Mackillo Kira und Professor Dr. Stephan W. Koch von der Philipps-Universität Marburg nahm sich der ungewöhnlichen Versuchsergebnisse an, die ihre Kollegen aus Dortmund erzielt hatten. Die Experimentatoren hatten Laserlicht eingesetzt, um einen Quantenpunkt in einem Mikroresonator anzuregen. „Das Licht bewirkt, dass der Quantenpunkt in einen höheren Energiezustand übergeht, anschließend kann er wieder in seinen Grundzustand zurückkehren, wobei er Energie abgibt“, erläutert Christian Berger, der Erstautor der aktuellen Veröffentlichung.

Zu ihrer Überraschung stellten die Physiker fest, dass die Werte der abgestrahlten Intensität nicht, wie erwartet, gleichmäßig mit der eingestrahlten Energie ansteigen, sondern hin und her schwanken, d. h. deutliche Oszillationen zeigen. Das Forscherteam konnte sogar zeigen, dass diese Oszillationen vollständig durch die quantenoptischen Fluktuationen des optischen Pumpstrahls gesteuert werden können. „Diese Entdeckung, die wir mit Hilfe der quantenoptischen Laserspektroskopie erklären konnten, ist von großer Bedeutung“, kommentiert Koautor Mackillo Kira. „Wir konnten diese Oszillationen dadurch ganz eindeutig als authentische Quantengedächtnis-Effekte identifizieren.“, ergänzt Koautor Manfred Bayer.

Den Forschungsergebnissen zufolge speichert das Quantengedächtnis des Systems die Information über die vorhergegangene zeitliche Entwicklung des Anregungszustands. „Dieser Quantengedächtnis-Effekt ist die physikalische Ursache für die Oszillationen der Energieabgabe. Das Phänomen ist eng mit dem quantenphysikalischen Effekt der Verschränkung verbunden.“, fügt Koautor Stephan W. Koch hinzu.

Die neuen Ergebnisse stehen in Zusammenhang mit laufenden Forschungsaktivitäten, die darauf abzielen, Phänomene der Quantenwelt für praktische Anwendungen zu nutzen. Die Existenz von Quantengedächtnis-Effekten und deren quantenoptische Steuerung könnten der Schlüssel zur Entwicklung von Lasern sein, deren quantenoptische Aspekte vollständig vom Benutzer definiert werden könnten. Derartige Laserquellen wären außerordentlich nützlich für die Quanteninformationswissenschaft und die Quantenspektroskopie, die das Ziel hat, Quantenprozesse komplexer Systeme mit Hilfe der Quantenaspekte des Lichts zu steuern.

Professor Dr. Stephan W. Koch und Professor Dr. Mackillo Kira lehren Theoretische Halbleiterphysik an der Philipps-Universität. Erst im Februar präsentierten sie ein neues Quasiteilchen, das sie mit Hilfe der quantenoptischen Laserspektroskopie identifizierten, das Quantentröpfchen oder Dropleton.

Literatur:
Christian Berger & al.: Quantum-Memory Effects in the Emission of Quantum-Dot Microcavities, Physical Review Letters 2014

Quelle: