Neue Technik schafft Einzelphotonen mit maßgeschneiderten Eigenschaften

10. Oktober 2015, 20:18
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Deutsche Physiker entdecken neuartige Quelle zur Erzeugung einzelner Lichtteilchen, deren Eigenschaften flexibel mit Licht kontrolliert werden können

Paderborn – 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. Nun haben Physiker der Universität Paderborn eine neuartige auf einer kompakten Halbleiterstruktur basierende Quelle zur Erzeugung von Einzelphotonen mit maßgeschneiderten Eigenschaften entdeckt.

"In unserer aktuellen Arbeit stellen wir ein ganz neues Konzept dazu vor," sagt 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.

Gezielt geformtes Lichtteilchen

"Das mag zunächst unnötig kompliziert klingen, um nur ein einzelnes Photon zu erzeugen", sagt 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 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 Dirk Heinze, erster Autor der Arbeit. (red, 10.10.2015)

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