Lichtteilchen im Doppelpack

© TU Berlin

Der Quantenpunkt - eine Art künstliches Atom - wird in einem Kryostaten auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunktes gekühlt. Durch einen Laser werden Photonen-Zwillinge erzeugt und mit einem Mikroskopobjektiv eingesammelt. (© Oana Popa/PR/TU Berlin)

Physiker der AG Optoelektronik und Quantenbauelemente von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein entwickeln eine neuartige Quantenlichtquelle zur Erzeugung von Photonen-Zwillingen / Veröffentlichung in Nature Communications.

Die Quantenphysik ist unter anderem deshalb so schwierig zu verstehen, weil sich die entsprechende Forschung meist in einem Mikrokosmos aus einzelnen Atomen, Elektronen und Photonen abspielt – also nicht greifbar für das menschliche Auge. Dabei weiß man inzwischen, dass Quanteneffekte auch Auswirkungen auf die Makrowelt haben. So ist aus der Forschung bekannt, dass Sehzellen aus den Augen eines Frosches, die sogenannten Stäbchen-Zellen, sogar schon ein einzelnes Photon registrieren können. Forscher aus Singapur konnten nachweisen, dass selbst bei gleicher Helligkeit der unterschiedlichen Lichtarten (also gleicher Anzahl an Photonen pro Zeit), die Stäbchen-Zellen des Auges einen Unterschied zwischen klassischem Licht und Quantenlicht registrieren. Das ermöglicht völlig neuartige interdisziplinäre Anwendungen für Quantenlichtquellen in der Quantenbiologie, der Schnittmenge zwischen Quantenphysik und Biologie, die allerdings vorerst noch wie Science-Fiction klingen.

Während sich die Forschung im Bereich der Quantenoptik bisher noch weitestgehend im Bereich der Grundlagenforschung abspielte, wurden in den vergangenen Jahren auch erhebliche Fortschritte bei der Erzeugung nicht-klassischer Lichtzustände und damit in Richtung neuartiger Anwendungen gemacht. Die Entwicklung der entsprechenden Quantenlichtquellen stellt jedoch weiterhin eine immense Herausforderung dar: „Schon die definierte Herstellung einer Ein-Photonenquelle – welche unter anderem für die Entwicklung von Systemen zur abhörsicheren Datenübertragung eingesetzt werden könnte – ist heute noch Hightech“, beschreibt Dr. Tobias Heindel, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein vom Fachgebiet Optoelektronik und Quantenbauelemente an der TU Berlin den Stand der Technik.

Dem Forscherteam dieser Arbeitsgruppe ist es jetzt erstmals gelungen, gezielt eine Quantenlichtquelle auf der Basis von Halbleiter-Quantenpunkten zu produzieren, die Paare identischer Photonen erzeugen kann – sogenannte Photonen-Zwillinge. Dr. Tobias Heindel, Alexander Thoma und weitere Mitarbeiter der Arbeitsgruppe setzten hierfür unter Leitung von Professor Reitzenstein ein hochoptimiertes Quantenbauelement ein. „In den letzten Jahren wurde hier in der Arbeitsgruppe eine spezielle, weltweit einzigartige Technik, die 3D in-situ Elektronenstrahllithographie entwickelt, bei der eine Mikrolinse exakt über einem wenige Nanometer (1nm entspricht einem Millionstel eines Millimeters) großen Quantenpunkt positioniert wird. Dieser Quantenpunkt kann quasi auf Knopfdruck Photonen aussenden, die durch die spezielle Mikrolinse in eine bestimmte Richtung gelenkt werden und damit detektiert werden können“, erläutert Tobias Heindel. Mit Hilfe spezieller Messverfahren konnten die Forscher nun einen bisher einzigartigen Quantenpunkt isolieren, der in der Lage ist Zwillings-Photonen zu emittieren. „Unser nächstes Ziel ist es, eine Methode zu entwickeln, mit der jeder beliebige Quantenpunkt zu einer Lichtquelle von Photonen-Zwillingen gemacht werden kann.“ Die Herstellung dieser Quantenbauelemente wurde durch die exzellente Infrastruktur des Zentrums für Nanophotonik an der TU Berlin ermöglicht.

„Auch anderen Arbeitsgruppen ist es bereits gelungen, Zwillings-Photonen auf der Basis von natürlichen Atomen oder nichtlinearen Kristallen zu erzeugen“, so Heindel. Der große Vorteil der Berliner Zwillingsphotonenquelle auf Basis von Quantenpunkten besteht jedoch darin, dass die Photonenpaare quasi auf Knopfdruck emittiert werden können. In Kombination mit der Mikrolinsenstruktur wird so eine besonders helle Photonenquelle erzeugt. „Unser Ansatz ermöglicht es, die Zahl der generierten Photonen-Zwillinge aus dem Bauteil um einen Faktor fünf zu steigern“, berichtet Heindel. Um die emittierten Photonenzwillinge direkt nachzuweisen, griffen die Physiker in Zusammenarbeit mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt Berlin auf einen hochempfindlichen supraleitenden Detektor zurück, der die Photonenanzahl in einem Lichtpuls detektieren kann.

Die Arbeiten zu dieser neuartigen Quantenlichtquelle entstanden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 787 „Halbleiter - Nanophotonik“ und des BMBF VIP-Projektes „QSOURCE“. Sie wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. *

* Heindel, T. et al. A bright triggered twin-photon source in the solid state.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).