Zu schwach für einen ''Klick''

  • 22. February 2011

Zu schwach für einen „Klick“

Einzelne Photonen im Mikrowellenfrequenzbereich charakterisiert.

Zur Charakterisierung verschiedener Strahlungsarten im optischen Frequenzbereich – wie Laser, thermische Lichtquellen oder Einzelphotonenemitter – wird häufig die zeitliche Korrelation der einzelnen Photonen untersucht. Dazu bedarf es Einzelphotonendetektoren, wobei ein Photon ein elektrisches Signal, den „Klick“, auslöst. Anders als für optische Photonen gibt es bis jetzt für besonders niedrige Frequenzen, wie dem Mikrowellenfrequenzbereich, keine Detektoren, die einzelne Photonen nachweisen können. Die Intensität dieser Mikrowellenphotonen ist viel zu schwach dafür. Nun gelang es Forschern vom Department für Physik der ETH-Zürich, solche intensitätsschwache Photonen auch ohne Einzelphotonendetektor zu charakterisieren.

Die Forschergruppe um Andreas Wallraff integrierte zusammen mit Kollegen auf einen Mikrochip eine Lichtquelle, die einzelne Mikrowellenphotonen erzeugt. Der Frequenzbereich dieser Photonen liegt bei wenigen Gigahertz, ähnlich der elektromagnetischen Strahlung von Handys und Mikrowellen. Bei der Anordnung wird kontrolliert innerhalb weniger Nanosekunden genau ein einzelnes Photon erzeugt, insgesamt zwei Millionen Mal pro Sekunde. Dass diese Vorrichtung auch tatsächlich nur einzelne Photonen generiert, zeigten die Wissenschaftler, indem sie auf dem Mikrochip zudem eine Messvorrichtung aufbauten, ähnlich wie jene, die bei optischen Photonen verwendet wird.

Abb.: Schematische Abbildung des im ETH Reinraum FIRST hergestellten Mikrochips, der in der oberen Hälfte die Photonenquelle und in der unteren Hälfte den Strahlteiler zeigt. (Bild: ETH Zürich)

 Abb.: Schematische Abbildung des im ETH Reinraum FIRST hergestellten Mikrochips, der in der oberen Hälfte die Photonenquelle und in der unteren Hälfte den Strahlteiler zeigt. (Bild: ETH Zürich)

Bei optischen Photonen wird hierfür ein zur Hälfte verspiegelter Strahlteiler genutzt. Die Photonen können mit gleicher Wahrscheinlichkeit entweder reflektiert werden oder den Strahlteiler passieren. Für beide Möglichkeiten gibt es jeweils einen Detektor, der das reflektierte oder transmittierte Photon nachweist. Das von einer Photonenquelle erzeugte einzelne Photon kann entsprechend den Gesetzen der Quantenmechanik niemals zur einen Hälfte reflektiert und zur anderen Hälfte transmittiert werden. Es muss sich für eine der Möglichkeiten entscheiden. Das Licht wird hier nicht mehr über seine Welleneigenschaften, entsprechend der klassischen Physik beschrieben; die Photonen verhalten sich wie Teilchen. „Klickt“ nur einer der Detektoren, beweist das, dass die Quelle tatsächlich nur einzelne Photonen erzeugt.

Wallraff erklärt wie es gelang die Einzelphotonen nun auch im Mikrowellenfrequenzbereich auf diese Weise zu registrieren: „Bisher war man der Meinung, dass man diese Korrelationen – die Charakterisierung der Eigenschaften der Photonen, und wie sich diese in einem Strahlteiler verhalten – nur messen kann, wenn der Detektor die Photonen wie ein Teilchen mit einem „Klick“ detektiert. Da im Mikrowellenfrequenzbereich die Intensität der Photonen hierfür zu schwach ist, verstärken wir die Signale auftreffender Photonen und messen dann die Amplitude des Feldes, das die Photonen erzeugen.“ Aus der so gewonnenen Statistik konnten die Forscher mit dieser Methode den Beweis erbringen, dass nur ein einzelnes Photon emittiert wurde und dieses wie erwartet den einen oder den anderen der möglichen Wege genommen hat. Die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung zeigte das für Einzelphotonenquellen charakteristische Antibunching.

ETH Zürich / MH

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