Nano-Booster für das Lichtfeld

  • 09. June 2017

Speziell geformte photonische Kristalle könnten über Kerr-Effekt einzelne Photonen wechselwirken lassen.

Es ist ein alter Grundsatz der Optik: Licht­wellen durchdringen sich wechsel­seitig, ohne einander zu beein­flussen. Nur unter speziellen Bedin­gungen lässt sich dieses Gesetz aufheben: Entweder wenn quanten­elektro­dynamische Effekte ins Spiel kommen und sich bei extrem starken Feldern die Nicht­linearität der Quanten­elektro­dynamik spürbar macht. Oder wenn etwa beim Kerr-Effekt ein Licht­strahl die Eigen­schaften eines Materials stark genug beein­flusst, um den Brechungs­index des Materials ändern zu können und somit einem zweiten Lichtstrahl seine Information aufzu­prägen. Auch hier müssen die Felder allerdings intensiv genug sein, um einen nennens­werten Effekt hervorrufen zu können, weshalb man hierfür normaler­weise starke Laser­strahlen einsetzt.

Abb.: Photonischer Kristall mit zentraler Brücke in einem Siliziumblock. (Bild: H. Choi et al., MIT / NPG)

Abb.: Photonischer Kristall mit zentraler Brücke in einem Siliziumblock. (Bild: H. Choi et al., MIT / NPG)

Für die Quanten­informations­verarbeitung hoffen Wissen­schaftler jedoch, möglichst schwache Felder – im Extrem­fall sogar nur einzelne Photonen – mit­einander wechsel­wirken zu lassen. Da jedes Photon im Prinzip ein Quantenbit an Infor­mation tragen kann, würden damit logische Gatter und ähnliche Ver­knüpfungen möglich. Bislang konzen­triert sich die Forschung an solchen Einzel-Photon-Gattern vor allem auf exo­tische Materialien wie Bose-Einstein-Konden­sate, die aller­dings sehr empfind­lich sind und nur bei Tempera­turen knapp über dem absoluten Nullpunkt exis­tieren. Ein Forscher­team um Dirk Englund vom Massa­chusetts Institute of Tech­nology haben nun jedoch anhand von Berechnungen und Simu­lationen heraus­gefunden, wie sich theoretisch auch in gewöhn­lichen Materialien solches Verhalten rea­lisieren lässt.

Hyongrak Choi, Mikkel Heuck und Dirk Englund vom Quantum Photonics Labora­tory am MIT unter­suchten hierzu verschiedene Geo­metrien pho­tonischer Kristalle, wie sie auch andere Forscher­gruppen bisher vorge­schlagen hatten. In einem photo­nischen Kristall lässt sich für kurze Zeit Licht speichern. Hierzu dient etwa ein dünner Quader aus Silizium von wenigen Mikrometern Länge, in den in regel­mäßigen Abständen kleine Löcher gefräst sind. Lässt man das zentrale Loch aus, konzen­triert sich hier das elektro­magnetische Feld – eine Falle für Licht. Dieser zentrale Licht­speicher lässt sich aller­dings noch „tunen“, indem man etwa die beiden Löcher links und rechts davon durch einen schmalen Kanal von wenigen Nano­metern Dicke verbindet. Aufgrund der unter­schiedlichen elektro­magnetischen Eigen­schaften von Luft und Silizium steigt die Stärke des elek­trischen Feldes hierdurch um rund eine Größen­ordnung.

Das Forscher­team setzt hier nun noch einen drauf: Laut ihren Berechnungen lässt sich der Verstärkungs­faktor durch Ausnutzung geschickter Geome­trien nochmals verviel­fachen. Indem sie die elektrische Feld­komponente nicht senkrecht – wie frühere Forscher­gruppen – zum Material führen, sondern parallel zu ihm, können sie weitere Rand­bedingungen ausnutzen und das elek­trische Feld nochmals verstärken. So erhöht eine recht­eckige Verengung auf wenige Nanometer im zentralen Bereich das Feld um rund eine weitere Größen­ordnung.

„Mit unserem Design stellen wir ein neues Prinzip zur Wechsel­wirkung von Licht und Materie vor“, sagt Choi. Das Interessante an diesem Aufbau: Der Prozess lässt sich auch iterieren und die Verbindung in zunehmend kleinere Lücken und Brücken aufteilen, wobei sich auf jeder Wieder­holungsstufe die elek­trische Feldstärke erhöhen sollte. Auch wenn sich dies im Prinzip beliebig oft durchführen lassen sollte, werden allerdings im Nano- und spätestens im Sub­nanometer­bereich die Material­eigen­schaften und die Möglich­keiten zu seiner Bear­beitung Grenzen setzen.

Die Simu­lationen der Forscher bestätigen jedoch die theo­retischen Be­rech­nungen. Die Wissen­schaftler nutzten hierzu sowohl Finite-Elemente-Methoden als auch FDTD- (finite-difference time-domain) Simu­lationen. Interes­santer­weise lieferten die schnellen, zweidimensionalen Finite-Elemente-Berech­nungen sehr ähnliche Resultate wie die sehr viel auf­wändigeren und um Größen­ordnungen langsameren drei­dimensionalen FDTD-Simu­lationen. In Summe erscheint aber eine Verstärkung um mehrere Größen­ordnungen möglich.

„Dies könnte extrem starke Wechsel­wirkungen von Licht und Materie in dieser Struktur möglich machen, bis hin zu Einzel-Photonen-Nicht­lineari­täten in einem dielek­trischen Medium“, ergänzt Choi. Solche Ein-Photon-Gatter wären natürlich insbesondere für Quantencomputer und die Quanten­informations­verarbeitung von hohem Interesse. Denn im Gegensatz zu anderen Ansätzen für solche Gatter wie etwa Bose-Einstein-Konden­sate wären hierfür keine außer­gewöhnlichen physi­kalischen Bedin­gungen notwendig. Auch wenn die Produktion von Nano­meter-Strukturen in Silizium spezielle litho­graphische und Ätz-Verfahren erfordert, besäße ein solcher photo­nischer Kristall den großen Vorteil, seine Fähig­keiten auch bei Raum­temperatur ausspielen zu können. Außerdem ist die Verstärkung des Licht­feldes nicht auf Quanten­effekte beschränkt, sondern ließe sich auch für klas­sische Zwecke aus­nutzen.

Dirk Eidemüller

JOL

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