Überblick

Einseitige Bereicherung

In photonischen Nanostrukturen hängt die Wechselwirkung von Licht mit Materie überraschend von der Propagationsrichtung des Lichts ab.

  • Arno Rauschenbeutel, Philipp Schneeweiss und Jürgen Volz
  • 04 / 2017 Seite: 31

Viele Anwendungen basieren darauf, Licht mittels stark fokussierender Optik oder photonischer Nano­strukturen auf der Skala seiner Wellenlänge zu kontrollieren und zu manipulieren. Durch diese starke räumliche Eingrenzung koppelt aber im Allgemeinen die lokale Polarisation an die Ausbreitungsrichtung des Lichts. Dadurch kann die Emission, Streuung und Absorption von Photonen von deren Propagationsrichtung abhängen. Die Quantenoptik hat eine solche richtungsabhängige Licht-Materie-Wechselwirkung bislang nicht berücksichtigt. So ist erst vor Kurzem das Forschungs­gebiet der chiralen Quantenoptik entstanden.

Die Quantenoptik beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Licht und Materie auf der mikro­skopischen Ebene. Licht wird dabei in Form von Photonen durch einzelne Quanten­emitter wie Atome, Moleküle, Farbzentren oder Quantenpunkte emittiert und absorbiert. Diese elementaren Wechselwirkungsprozesse sind die Basis vieler Phäno­mene und Anwendungen wie der Photosynthese, visuellen Wahrnehmung, Photovoltaik, digitalen Bildsensorik sowie optischen (Quanten-)Kommunikation und Informa­tionsverarbeitung.

Neben der grundlegenden Beschreibung der Prozesse ist es ein wichtiges Ziel der Quantenoptik, die Dynamik und Effizienz der Photonenemission und -absorption zu kontrollieren bzw. zu maximieren. Als vielseitiges experimentelles Werkzeug sind hierbei in jüngster Zeit nanophotonische Strukturen ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt. Dabei handelt es sich um nanostrukturierte dielektrische Wellenleiter und Resonatoren, die es ermöglichen, das Licht sehr effizient an Quantenemitter zu koppeln. Entscheidend ist hierbei, dass die Querschnittsfläche der geführten Lichtmode vergleichbar wird mit dem Absorptionsquerschnitt des Emitters, wobei letzterer etwa dem Quadrat der Lichtwellenlänge entspricht. Solche räumlich stark eingegrenzten Lichtmoden verhalten sich jedoch grundsätzlich anders, als man es von paraxialen Lichtfeldern gewohnt ist, die zum Beispiel bei kollimierten Laserstrahlen vorliegen. Insbesondere schwingt das elektromagnetische Feld im räumlich eingegrenzten Fall nicht nur transversal zu seiner Ausbreitungsrichtung, sondern besitzt auch eine longitudinale Polarisationskomponente...

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