Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

"Verstimmte" Photonenerzeugung - Stuttgarter Physiker decken nicht-resonante Kopplung auf

23.11.2009
Für künftige Anwendungen in der Quanten-Informationstechnologie wie etwa der abhörsicheren Datenübertragung werden verschlüsselte Nachrichten mit Hilfe von Lichtteilchen übertragen.

Physiker der Universität Stuttgart deckten neue Effekte der nicht-resonanten Kopplung auf. Gearbeitet haben sie dabei mit winzigen Türmchen aus Halbleitermaterial, die an der Universität Würzburg erzeugt wurden. Die neuen Ergebnisse zu Quantenpunkten werden jetzt in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

Für künftige Anwendungen in der Quanten-Informationstechnologie wie etwa der abhörsicheren Datenübertragung werden verschlüsselte Nachrichten mit Hilfe von Lichtteilchen übertragen. Hierzu wird ein so genannter Quantenemitter (eine Lichtquelle) in einem Resonator energetisch angeregt, bis er einzelne Photonen (Lichtteilchen) "abschießt". Nach bisherigen Modellen ging man davon aus, dass es zu einer Wechselwirkung (Kopplung) von Quantenemitter und Resonator nur dann kommen kann, wenn die Photonenenergie des Emitters und eine Schwingungsmode des Resonator-feldes präzise übereinstimmen (Strikter Resonanzfall).

Physiker um Prof. Peter Michler vom Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Universität Stuttgart deckten nun neue Effekte der nicht-resonanten Kopplung auf, die über dieses Modell hinausgehen. Gearbeitet haben sie dabei mit winzigen Türmchen aus Halbleitermaterial, die an der Universität Würzburg erzeugt wurden. Die neuen Ergebnisse zu Quantenpunkten werden jetzt in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.*)

Gut geeignet für die Herstellung zuverlässiger Quantenemitter sind kristalline Halbleitermaterialen, da sich aus diesen künstliche Quantenpunkte erzeugen lassen, deren spektralen Eigenschaften über weite Bereiche des Spektrums abgestimmt werden können. In einem weiteren Schritt ist es möglich, die Dynamik der spontanen Photonenaussendungen gezielt zu manipulieren, indem ein Quantenpunkt in einen miniaturisierten Resonator eingesetzt wird. Ein solches Werkzeug stellen die Würzburger Halbleiter-Türmchen dar. Die Resonatoren mit einem Durchmesser von nur ein bis zwei Mikrometern enthalten Quantenpunkte, deren elektronische und optische Eigenschaften sich bei der Herstellung maßschneidern und genau analysieren lassen. Die winzigen Strukturen bestehen aus einer ausgeklügelten Abfolge von Schichten aus den Halbleitern Aluminium-Arsenid und Gallium-Arsenid.

"Ihr spezieller Aufbau macht sie zu hochwertigen optischen Resonatoren, die einzelne Photonen auf einer Skala der Lichtwellenlänge in allen drei Raumdimensionen einschließen", sagt Stephan Reitzenstein vom Lehrstuhl für Technische Physik der Uni Würzburg.

Anhand dieser Strukturen entdeckten die Stuttgarter Physiker einen Effekt der nicht-resontanen Kopplung, der die bisherigen Vorstellungen des strikten Resonanzfalls sprengt. Durch systematische spektroskopische Untersuchungen konnten sie aufzeigen, dass gekoppelte Quantenpunkt-Mikroresonator-Systeme insbesondere auch dann Photonen aussenden, wenn Quantenpunkt und Resonator stark gegeneinander verstimmt sind, also mit unterschiedlichen Frequenzen schwingen. "Dieser zunächst unterwartete Effekt weist auf eine ausgeprägte Licht-Materie-Wechselwirkung in derartigen Festkörpersystemen hin und wird folglich wesentliche Auswirkungen auf das Design und die Funktionalität zukünftiger Quantenemitter auf Quantenpunktbasis haben", so der Leiter der Stuttgarter Forschungsgruppe, Prof. Peter Michler.

Grundlegender Beitrag zum Verständnis des Ursprungs der nicht-resonanten Kopplung

Ein wesentlicher treibender Prozess der nicht-resonanten Kopplung scheint der Effekt der so genannten reinen Dephasierung (des Kohärenzverlusts des Systems ohne Aussendung eines Photons) speziell über Wechselwirkung mit quantisierten Gitterschwingungen zu sein. Somit sind die aktuellen Untersuchungen ein wichtiger Beitrag, um die den nach wie vor nicht vollständig aufgeklärten und in der Fachliteratur diskutierten Ursprung der nicht-resonanten Kopplung grundlegend zu verstehen.

Darüber hinaus kann die nicht-resonante Kopplung in der Forschung in neuartiger und sehr gezielter Weise angewendet werden. So zeigen zahlreiche Emissionsmessungen an resonant angeregten Einzel-Quantenpunkten, dass der Emissionskanal der gekoppelten und verstimmten Mode auch als direkter "Monitor" der Emissionscharakteristika des Quantenpunktes dienen kann. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise elektronische Feinstrukturen, die Absorptionssättigung des Grundzustandes oder auch die untergrundfreie Messung der Photonenstatistik in Emission beobachten. "Die indirekte Beobachtung dieser Charakteristika durch Kopplung an die Resonanzemission des Grundzustands bietet ein sehr mächtiges Werkzeug für weitergehende Untersuchungen an derartigen Quantensystemen", so Michler.

Weitere Informationen:
Dr. Sven M. Ulrich, Universität Stuttgart, Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Tel. 0711/685-65226, e-mail s.ulrich@ihfg.uni-stuttgart.de

Dr. Stephan Reitzenstein, Universität Würzburg, Lehrstuhl für Technische Physik, Tel. 0931/31-85116, stephan.reitzenstein@physik.uni-wuerzburg.de

Serkan Ates, Sven M. Ulrich, Ata Ulhaq, Stephan Reitzenstein, Andreas Löffler, S. Höfling, Alfred Forchel and Peter Michler: "Non-resonant dot-cavity coupling and its potential for resonant single-quantum-dot spectroscopy",

DOI 10.1038/NPHOTON.2009.215

Ursula Zitzler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de
http://www.uni-wuerzburg.de/sonstiges/meldungen/single/artikel/nano-tuerme/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten
21.08.2017 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

nachricht Ein Hauch von Galaxien im Zentrum eines gigantischen Galaxienhaufens
21.08.2017 | Universität Heidelberg

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: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse

21.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Institut für Lufttransportsysteme der TUHH nimmt neuen Cockpitsimulator in Betrieb

21.08.2017 | Verkehr Logistik