Schwingende Lichtmoleküle

  • 07. October 2015

Nanoerdbeben auf einem Chip ebenen den Weg zu optischen Quanten­computern.

Wissenschaftlern des Instituts für Physik der Uni Augsburg und des Walter-Schottky-Instituts der TU München ist es gelungen, mit nano­mecha­nischen Schall­wellen ein „Lichtmolekül“ zu kontrollieren, das von zwei benachbarten nano­photonischen Resonatoren gebildet wird. Für ihre Experi­mente nutzten Hubert Krenner, Leiter des NIM-Forscher­team am Lehrstuhl für Experimental­physik I, und sein Doktorand Stephan Kapfinger in ihrem Augsburger Labor Halbleiter­membranen in Nano­meter­stärke, in die sie unter Reinraum­bedingungen eine große Zahl periodisch angeordneter winzigster Löcher bohrten. Durch einen minimalen Defekt in der Regel­mäßigkeit der Bohrungen entsteht ein Nano­resonator. Dieser Resonator kann einen pho­tonischen Kristall einfangen – Licht mit exakt definierter Energie. Gemein­sam mit der Forscher­gruppe um Michael Kaniber und Jonathan Finley an der TUM entwarfen und bauten Kapfinger und Krenner ein pho­tonisches Molekül in Form zweier solch aneinander­grenzenden Nano­resonatoren, in denen Photonen hin- und her­schwingen können.

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Abb.: Auf dieser elektromikroskopischen Darstellung eines Lichtmoleküls bilden die beiden Reihen der jeweils drei fehlenden Löcher einen photonischen Nanoresonator. Wenn man mit einem Nanobeben nun die Verbindung zwischen den Photonen über die Resonatoren hinweg kurzschließt, dann springen die einzelnen Photonen – wie von den roten Pfeilen angedeutet – hin und her (Bild: H. Krenner)

„In unserem Licht­molekül verhalten sich die Photonen exakt so wie sich die Elektronen verhalten, die in einem Wasserstoff­molekül eine chemische Verbindung verursachen. Während die beiden Wasser­stoff­atome, die ein H2-Molekül bilden, von Natur aus absolut identisch sind, sind dies die von uns konstruierten – künstlichen – nanophotonischen „Atome“ in aller Regel nicht. Und diese winzigen, im Nanobereich liegenden Abweichungen künstlich erzeugter photonischer „Atome“ sind der Realisierung photonischer Bau­elemente oder gar photonischer Schalt­kreise im Wege gestanden“, erläutert Kapfinger.

Die Augsburger Nano­wissenschaftler haben dieses Problem nun mit einem Trick gelöst: Mit einem „Nano­erdbeben“ auf einen Chip erzeugten sie eine extrem kleine Schall­welle. Mit dieser lässt sich der ein Nano­resonator des photonischen Moleküls komprimieren, während sich der andere entsprechend dehnen lässt. „Auf diese Weise“, erklärt Krenner, „können wir die herstellungs­bedingten Minimal­abweichungen zwischen beiden ausgleichen und für einen kurzen Moment absolute Identität, wie sie bei den beiden Atomen des Wasser­stoff­moleküls gegeben ist, herstellen, wobei dieser Moment auf dem Wellen­zyklus sich exakt definieren lässt und dadurch die absolute Kontrolle über die Verbindung beider Resonatoren ermöglicht.“

„Es war faszinierend zu sehen“, berichtet Kapfinger, „dass die beiden Resonatoren nicht, wie man eigentlich annehmen würde, dasselbe Licht abstrahlen, sondern dass die Farben sich gegenseitig gewissermaßen abstoßen. Der Unterschied zwischen ihnen spiegelt die Intensität der „Bindung“ des photonischen Moleküls wider. Schon viele Forscher haben an der Messung dieser Effekte hart, aber mit bislang wenig Erfolg gearbeitet.“

Krenner ergänzt: „Mit unserem Experiment konnten wir nicht nur zeigen, wie man ein Licht­molekül mit bislang nicht gekannter Geschwindigkeit messen und kontrollieren kann. Wir konnten darüber hinaus auch zeigen, wie wir nano­mechanische Wellen effizient in optische Signale konvertieren können. Das ist quantenmechanische Kontrolle im wahrsten Sinne des Wortes.“

Die Pionier­arbeit und langjährige Erfahrung von Achim Wixforth und seines Augsburger Lehr­stuhls auf dem Gebiet Akustischer Ober­flächen­wellen, auch SAW gennant von Surface Acoustic Waves, führt bereits seit vielen Jahren immer wieder zu weg­weisenden Ergebnissen und Anwendungen, die sich auf das ganze Spektrum der Nanowissenschaft erstrecken. „SAW – unsere ganz spezielle Methode, auf die wir hier in Augsburg besonders stolz sind – hat jetzt auch im Bereich der Nano­photonik ihr Potenzial mit einem spektakulären Ergebnis bewiesen“, freut sich der Augsburger Nano­wissenschaftler und NIM Principal Investigator. Denn die photonischen Kristall­strukturen, die jetzt mit seinem SAW-Verfahren entwickelt und untersucht wurden, sind insoweit enorm relevant, als sie sich zu groß­dimensionierten, integrierten Licht­schalt­kreisen erweitern lassen – und zwar auch in der Quantenwelt. Dies rechtfertigt die Erwartung eines möglichen Ausbaus des Systems bis hin zum optischen Quanten­computer. „Ihn“, so Wixforth, „hat unser Schütteln und Rütteln photonischer Kristalle durch exakt dimensionierte Nanobeben ein Stück näher gebracht.“

U. Augsburg / AI

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