Kontrollierte Kopplung von Licht und Materie

  • 05. March 2018

Grundstein für ein neues Gebiet der Nano-Optik.

Forschern der Uni Würzburg ist es gemeinsam mit Kollegen aus Groß­britannien gelungen, Licht und Materie bei Raum­tempe­ratur zu koppeln und diesen Zustand zu kon­trol­lieren. Treiben die Wissen­schaftler er ihre Arbeit auf diesem Gebiet weiter erfolg­reich voran, könnte das für die Reali­sie­rung von optischen Quanten­computern bedeut­sam sein.

Licht-Materie-Kopplung

Abb.: Künstlerische Darstellung eines plasmo­nischen Nano-Reso­nators in Form eines Schlitzes an einer Gold­schicht. Durch die Annähe­rung eines Quanten­punktes (rot) ver­stärkt sich deren Wechsel­wirkung. (Bild: H. Groß, JMU)

Ein Photon entsteht, wenn zum Beispiel ein Molekül oder ein Quanten­punkt elektro­nisch ange­regt wurde und dann in seinen nieder­energe­tischen Grund­zu­stand zurück­kehrt. Diese spontane Emission ist normaler­weise nicht um­kehr­bar. Ein emit­tiertes Licht­teil­chen wird nicht einfach zum Emitter zurück­kehren und dort wieder absor­biert werden.

Koppelt man aber den Emitter an ein Speicherelement für Licht, einen optischen Reso­nator, dann kann das emit­tierte Photon eine gewisse Zeit in der Nähe des Emitters bleiben und von diesem wieder absor­biert werden. „Eine solche Umkeh­rung der spontanen Emission ist hoch­interes­sant für die Infor­ma­tions­ver­arbei­tung, da hier Quanten­infor­ma­tion zwischen Materie und Licht unter Erhal­tung der Quanten­eigen­schaften aus­ge­tauscht wird“, sagt Bert Hecht von der Uni Würz­burg.

Der Austausch von Quanteninformation ist jedoch meistens nur bei sehr tiefen Tempe­ra­turen reali­sier­bar, weil dann die Spektral­linien der Emitter sehr scharf sind und des­halb die Absorp­tions­wahr­schein­lich­keit hoch ist. Den Teams von Hecht und Ortwin Hess vom Imperial College London ist es jetzt als einer der ersten Gruppen welt­weit gelungen, den Zustand der starken Kopp­lung von Licht und Materie bei Raum­tempe­ratur zu erreichen.

Um die Wiederabsorption eines Photons auch bei Raumtemperatur zu erwirken, haben die Forscher einen plasmo­nischen Nano-Reso­nator verwendet, der die Form eines extrem schmalen Schlitzes in einer dünnen Gold­schicht hat. „Dieser Reso­nator erlaubt es, die elektro­magne­tische Energie eines gespei­cherten Photons räum­lich stark zu konzen­trieren, näm­lich auf einen Bereich, der nicht viel größer ist als ein Quanten­punkt“, erklärt Hechts Mit­arbeiter Heiko Groß. Dadurch werde das gespei­cherte Photon mit hoher Wahr­chein­lich­keit vom Emitter reab­sor­biert.

Diese Idee wurde auch schon von anderen Arbeitsgruppen umge­setzt. Die Forscher aus Würz­burg und London haben es nun aber unter anderem geschafft, die Kopp­lung zwischen Reso­nator und Emitter zu kon­trol­lieren, sie konti­nuier­lich zu ver­ändern, sie gezielt ein- und aus­zu­schalten. Das gelang dem Team, indem es den Reso­nator an der Spitze eines Raster­kraft­mikro­skops befes­tigte und ihn so mit hoher Präzi­sion in die unmit­tel­bare Nähe des Emitters – in diesem Fall eines Quanten­punktes – bringen konnte.

Die Forscher hoffen jetzt darauf, die Kopplung von Quantenpunkt und Reso­nator noch gezielter beein­flussen zu können – even­tuell sogar direkt durch ein­ge­strahlte Photonen. Daraus ergäben sich neue Möglich­keiten für die Reali­sier­ung von optischen Quanten­computern. „Nütz­lich ist in diesem Zusammen­hang auch die Tat­sache, dass die energe­tische Anre­gung zwischen Quanten­punkt und Reso­nator extrem schnell ausge­tauscht wird“, sagt Groß. Das löse eines der Probleme, die es bisher im Tief­tempe­ratur­bereich gab: Dort wird die Oszil­la­tion der Energie zwischen Licht und Materie durch die langen Speicher­zeiten des Reso­nators ver­langsamt.

JMU / RK

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