Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichtteilchen im Doppelpack

04.04.2017

Physiker der AG Optoelektronik und Quantenbauelemente von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein entwickeln eine neuartige Quantenlichtquelle zur Erzeugung von Photonen-Zwillingen / Veröffentlichung in Nature Communications

Die Quantenphysik ist unter anderem deshalb so schwierig zu verstehen, weil sich die entsprechende Forschung meist in einem Mikrokosmos aus einzelnen Atomen, Elektronen und Photonen abspielt – also nicht greifbar für das menschliche Auge. Dabei weiß man inzwischen, dass Quanteneffekte auch Auswirkungen auf die Makrowelt haben.


© TU Berlin


Der Quantenpunkt - eine Art künstliches Atom - wird in einem Kryostaten auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunktes gekühlt. Durch einen Laser werden Photonen-Zwillinge erzeugt und mit einem Mikroskopobjektiv eingesammelt.

© Oana Popa/PR/TU Berlin

So ist aus der Forschung bekannt, dass Sehzellen aus den Augen eines Frosches, die sogenannten Stäbchen-Zellen, sogar schon ein einzelnes Photon registrieren können. Forscher aus Singapur konnten nachweisen, dass selbst bei gleicher Helligkeit der unterschiedlichen Lichtarten (also gleicher Anzahl an Photonen pro Zeit), die Stäbchen-Zellen des Auges einen Unterschied zwischen klassischem Licht und Quantenlicht registrieren.

Das ermöglicht völlig neuartige interdisziplinäre Anwendungen für Quantenlichtquellen in der Quantenbiologie, der Schnittmenge zwischen Quantenphysik und Biologie, die allerdings vorerst noch wie Science-Fiction klingen.

Während sich die Forschung im Bereich der Quantenoptik bisher noch weitestgehend im Bereich der Grundlagenforschung abspielte, wurden in den vergangenen Jahren auch erhebliche Fortschritte bei der Erzeugung nicht-klassischer Lichtzustände und damit in Richtung neuartiger Anwendungen gemacht. Die Entwicklung der entsprechenden Quantenlichtquellen stellt jedoch weiterhin eine immense Herausforderung dar:

„Schon die definierte Herstellung einer Ein-Photonenquelle – welche unter anderem für die Entwicklung von Systemen zur abhörsicheren Datenübertragung eingesetzt werden könnte – ist heute noch Hightech“, beschreibt Dr. Tobias Heindel, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein vom Fachgebiet Optoelektronik und Quantenbauelemente an der TU Berlin den Stand der Technik.

Dem Forscherteam dieser Arbeitsgruppe ist es jetzt erstmals gelungen, gezielt eine Quantenlichtquelle auf der Basis von Halbleiter-Quantenpunkten zu produzieren, die Paare identischer Photonen erzeugen kann – sogenannte Photonen-Zwillinge. Dr. Tobias Heindel, Alexander Thoma und weitere Mitarbeiter der Arbeitsgruppe setzten hierfür unter Leitung von Professor Reitzenstein ein hochoptimiertes Quantenbauelement ein.

„In den letzten Jahren wurde hier in der Arbeitsgruppe eine spezielle, weltweit einzigartige Technik, die 3D in-situ Elektronenstrahllithographie entwickelt, bei der eine Mikrolinse exakt über einem wenige Nanometer (1nm entspricht einem Millionstel eines Millimeters) großen Quantenpunkt positioniert wird. Dieser Quantenpunkt kann quasi auf Knopfdruck Photonen aussenden, die durch die spezielle Mikrolinse in eine bestimmte Richtung gelenkt werden und damit detektiert werden können“, erläutert Tobias Heindel.

Mit Hilfe spezieller Messverfahren konnten die Forscher nun einen bisher einzigartigen Quantenpunkt isolieren, der in der Lage ist Zwillings-Photonen zu emittieren. „Unser nächstes Ziel ist es, eine Methode zu entwickeln, mit der jeder beliebige Quantenpunkt zu einer Lichtquelle von Photonen-Zwillingen gemacht werden kann.“ Die Herstellung dieser Quantenbauelemente wurde durch die exzellente Infrastruktur des Zentrums für Nanophotonik an der TU Berlin ermöglicht.

„Auch anderen Arbeitsgruppen ist es bereits gelungen, Zwillings-Photonen auf der Basis von natürlichen Atomen oder nichtlinearen Kristallen zu erzeugen“, so Heindel. Der große Vorteil der Berliner Zwillingsphotonenquelle auf Basis von Quantenpunkten besteht jedoch darin, dass die Photonenpaare quasi auf Knopfdruck emittiert werden können. In Kombination mit der Mikrolinsenstruktur wird so eine besonders helle Photonenquelle erzeugt.

„Unser Ansatz ermöglicht es, die Zahl der generierten Photonen-Zwillinge aus dem Bauteil um einen Faktor fünf zu steigern“, berichtet Heindel. Um die emittierten Photonenzwillinge direkt nachzuweisen, griffen die Physiker in Zusammenarbeit mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt Berlin auf einen hochempfindlichen supraleitenden Detektor zurück, der die Photonenanzahl in einem Lichtpuls detektieren kann.

Die Arbeiten zu dieser neuartigen Quantenlichtquelle entstanden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 787 „Halbleiter - Nanophotonik“ und des BMBF VIP-Projektes „QSOURCE“. Sie wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. *

* Heindel, T. et al. A bright triggered twin-photon source in the solid state.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).


Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Dr. Tobias Heindel
TU Berlin
Institut für Festkörperphysik
AG Optoelektronik und Quantenbauelemente
Tel.: 030/314–79269
tobias.heindel@tu-berlin.de

Prof. Dr. Stephan Reitzenstein
TU Berlin
Institut für Festkörperphysik
Fachgebiet Optoelektronik und Quantenbauelemente
Tel.: 030/314–79704
stephan.reitzenstein@physik.tu-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.tu-berlin.de/?id=184400

Stefanie Terp | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik
21.09.2017 | Forschungszentrum MATHEON ECMath

nachricht Der stotternde Motor im Weltall
21.09.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften