Physiker der Universit?t Paderborn entdecken neuartige Quelle zur Erzeugung von Einzelphotonen mit ma?geschneiderten 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 Universit?t Paderborn, in einem theoretisch-experimentellen Kollaborationsprojekt gelungen, eine auf einer kompakten Halbleiterstruktur basierende, neuartige Quelle zur Erzeugung einzelner Lichtteilchen mit ma?geschneiderten Eigenschaften zu erfinden. Die Eigenschaften des einzelnen Lichtteilchens k?nnen 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 h?heren, doppelt angeregten Zustand, dem sogenannten Biexziton, erzeugt wird. Dabei wird die direkte Emission zweier Photonen vom Biexziton genutzt. ?Das mag zun?chst unn?tig kompliziert klingen, um nur ein einzelnes Photon zu erzeugen“, sagt Stefan Schumacher: ?Aber nur so l?sst es sich ausnutzen, dass die zwei emittierten Photonen entsprechend fundamentaler physikalischer Gesetze wie Energie- und Drehimpulserhaltung zueinander komplement?re 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 k?nnen 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 Ma? eingestellt werden. ?Wir steuern also die Erzeugung eines einzelnen Lichtquants mit Licht“, führt Prof. Dr. Stefan Schumacher aus. Diese Flexibilit?t und rein optische Kontrolle der Eigenschaften eines einzelnen Lichtteilchens konnte bisher nicht erreicht werden. Bei früheren Ans?tzen sind die Eigenschaften des einzelnen Photons bereits weitgehend durch die verwendete Halbleiterstruktur starr festgelegt. ?Hier sind wir v?llig flexibel“, erg?nzt M.Sc. Dirk Heinze, erster Autor der Arbeit und Doktorand in diesem Projekt.
In ihrer aktuellen Arbeit pr?sentieren die Autoren detaillierte theoretische Ergebnisse und Computersimulationen zu diesem neuen Konzept. Die Originalpublikation ist im Fachjournal Nature Communications erschienen und kann unter folgendem Link angesehen werden: http://www.nature.com/ncomms/2015/151005/ncomms9473/full/ncomms9473.html
Text: Heike Probst
