05/10/2015

Universität Paderborn

Steuern von Licht mit Licht

Physiker der Universität Paderborn entdecken neuartige Quelle zur Erzeugung von Einzelphotonen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Ihre Erkenntnisse sind jetzt im Fachjournal Nature Communications erschienen.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches TRR 142 “Tailored nonlinear photonics” ist es den Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Stefan Schumacher und Prof. Dr. 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 (oder Photonen) 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 Prof. Dr. 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 können 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 eingestellt werden. „Wir steuern also die Erzeugung eines einzelnen Lichtquants mit Licht“, führt Prof. Dr. 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 M.Sc. Dirk Heinze, erster Autor der Arbeit und Doktorand in diesem Projekt.

In ihrer aktuellen Arbeit präsentieren die Autoren detaillierte theoretische Ergebnisse und Computersimulationen zu diesem neuen Konzept. Die Originalpublikation ist im Fachjournal Nature Communications erschienen.