Mikrolaser mit Quantengedächtnis

  • 20. August 2014

Quantenpunkt-Mikrolasersysteme zeigen Oszillationen, die auf Verschränkung mit Pumpstrahl beruhen.

Ein „Quantengedächtnis“ ist die Ursache unerwarteter Oszillationen, die bei optischen Experimenten mit einem mikroskopisch kleinen Lasersystem auftreten, in dem sich Halbleiter-Quantenpunkte befinden. Dies ist das Ergebnis der theoretischen und experimentellen Zusammenarbeit von Physikern aus Marburg, Dortmund, St. Petersburg und dem US-amerikanischen Notre Dame.

Das durch die Anregung entstandene „Quantengedächtnis“ hat zur Folge, dass die emittierte Lichtintensität eines Halbleiter-Quantenpunkt-Ringlasers charakteristische Oszillationen aufweist

Abb.: Das durch die Anregung entstandene „Quantengedächtnis“ hat zur Folge, dass die emittierte Lichtintensität eines Halbleiter-Quantenpunkt-Ringlasers charakteristische Oszillationen aufweist. (Bild: U. Marburg)

Das Team um Mackillo Kira und Stephan W. Koch von der Philipps-Universität Marburg nahm sich der ungewöhnlichen Versuchsergebnisse an, die ihre Kollegen aus Dortmund erzielt hatten. Die Experimentatoren hatten Laserlicht eingesetzt, um einen Quantenpunkt in einem Mikroresonator anzuregen. „Das Licht bewirkt, dass der Quantenpunkt in einen höheren Energiezustand übergeht, anschließend kann er wieder in seinen Grundzustand zurückkehren, wobei er Energie abgibt“, erläutert Christian Berger, Erstautor der aktuellen Veröffentlichung.

Zu ihrer Überraschung stellten die Physiker fest, dass die Werte der abgestrahlten Intensität nicht, wie erwartet, gleichmäßig mit der eingestrahlten Energie ansteigen, sondern hin und he schwanken, d. h. deutliche Oszillationen zeigen. Das Forscherteam konnte sogar zeigen, dass diese Oszillationen sich vollständig durch die quantenoptischen Fluktuationen des optischen Pumpstrahls steuern ließen. „Diese Entdeckung, die wir mit Hilfe der quantenoptischen Laserspektroskopie erklären konnten, ist von großer Bedeutung“, kommentiert Mackillo Kira. „Wir konnten diese Oszillationen dadurch ganz eindeutig als authentische Quantengedächtnis-Effekte identifizieren.“, ergänzt Manfred Bayer.

Den Forschungsergebnissen zufolge speichert das Quantengedächtnis des Systems die Information über die vorhergegangene zeitliche Entwicklung des Anregungszustands. „Dieser Quantengedächtnis-Effekt ist die physikalische Ursache für die Oszillationen der Energieabgabe. Das Phänomen ist eng mit dem quantenphysikalischen Effekt der Verschränkung verbunden.“, fügt Stephan W. Koch hinzu.

Die neuen Ergebnisse stehen in Zusammenhang mit laufenden Forschungsaktivitäten, die darauf abzielen, Phänomene der Quantenwelt für praktische Anwendungen zu nutzen. Die Existenz von Quantengedächtnis-Effekten und deren quantenoptische Steuerung könnten der Schlüssel zur Entwicklung von Lasern sein, deren quantenoptische Aspekte sich vollständig vom Benutzer definieren lassen könnten. Derartige Laserquellen wären außerordentlich nützlich für die Quanteninformationswissenschaft und die Quantenspektroskopie, die das Ziel hat, Quantenprozesse komplexer Systeme mit Hilfe der Quantenaspekte des Lichts zu steuern.

U. Marburg / DE

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