Physiker nutzen winzige Diamanten als Lichtquelle

An die Stelle von Lichtimpulsen, die aus „Bündeln“ von Lichtteilchen bestehen, sollen in Zukunft einzelne Lichtteilchen als Informationsträger treten – was unter anderem eine vollständig abhörsichere Datenübertragung in der Quantenkommunikation ermöglicht.

Derzeit arbeiten Forscher an alltagstauglichen Lichtquellen, die einzelne Photonen emittieren. Physiker um Professor Christoph Becher von der Saar-Uni nutzen hierfür Nanodiamanten und haarfeine Glasfasern. In einer neuen Studie stellen sie den Aufbau dieser Lichtquelle vor.

Winzig klein sind die Diamanten, die die Saarbrücker Forscher für ihre Experimente verwenden: weniger als 100 Nanometer groß – das entspricht etwa einem Tausendstel eines Haardurchmessers. Und dabei haben es die Physiker nicht auf die lupenreinen, sondern auf die verunreinigten Edelsteine abgesehen. „Für unsere Arbeiten brauchen wir Diamanten, die einen speziellen Einschluss, genauer gesagt, einen Defekt aufweisen“, erklärt Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes.

„Dieser besteht aus einem Stickstoffatom und einer angrenzenden Leerstelle in der Gitterstruktur des Diamanten. Er wird auch Farbzentrum genannt.“ Bestrahlt man die Nanodiamanten nun mit einem Laser, beginnen die Farbzentren Licht auszusenden – ebenso wie es Atome tun. „Dieses Licht verhält sich so, als ob es von einem einzelnen Atom stammen würde und besteht aus der gewünschten Abfolge einzelner Lichtteilchen“, sagt Becher weiter

Die Saarbrücker Physiker haben diese in Forscherkreisen bekannte Lichtquelle nun weiterentwickelt. Hierfür haben sie einen Nanodiamanten zwischen zwei Spiegeln platziert. Die beiden sich gegenüber liegenden Spiegel bilden einen Lichtspeicher, in dem das Licht über 1.000 Mal hin- und herreflektiert wird, bevor es durch einen der Spiegel entweichen kann. „Die intensive Wechselwirkung des gespeicherten Lichts mit dem Farbzentrum im Nanodiamanten führt dazu, dass einzelne Lichtteilchen mit genau definierten Eigenschaften und mit hoher Effizienz ausgesandt werden. In gewissen Grenzen kann man sich dabei auch die Farbe des Lichtes aussuchen“, berichtet der Physik-Professor. Je kleiner die Spiegel sind, und umso geringer ihr Abstand, desto intensiver ist die Wechselwirkung im Lichtspeicher und desto besser lassen sich die Eigenschaften der einzelnen Lichtteilchen kontrollieren.

Das Besondere beim Versuchsaufbau der Saarbrücker Physiker ist die Anordnung der Spiegel: Einer der Spiegel sitzt direkt auf der Spitze einer haardünnen Glasfaser. „Die einzelnen Lichtteilchen werden auf diese Weise direkt in eine Faser ausgesandt – also dorthin, wo man sie für die Datenübertragung gerne haben möchte“, erklärt Roland Albrecht, Doktorand bei Professor Becher. „Zudem liegt der Vorteil unseres Aufbaus darin, dass er bei Raumtemperatur und ohne großen Apparateaufwand funktioniert. Er bietet somit Potential, ihn praktisch einzusetzen.“

Im nächsten Schritt möchten die Saarbrücker Forscher die Spiegel weiter verkleinern, sodass möglichst alle ausgesandten Lichtteilchen in der Glasfaser gesammelt werden können. Ferner versuchen sie den Nanodiamanten und die Glasfaser-Lichtspeicher auf Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt abzukühlen. „Dann verändern sich die Eigenschaften des Systems so, dass Quanteninformation zwischen dem Farbzentrum im Diamanten und den einzelnen Lichtteilchen ausgetauscht werden kann – die Schnittstelle für einen zukünftigen Quantencomputer oder die Übertragung von Quanteninformation über lange Strecken“, erklärt Becher.

Die Arbeit der Saarbrücker Wissenschaftler ist unter anderem im Rahmen des Verbundprojekts QuOReP (Quanten-Repeater-Plattform mit Methoden der Quantenoptik), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, entstanden. Die winzigen Spiegel für den Versuchsaufbau wurden in Zusammenarbeit mit Professor Jakob Reichel an der École normale supérieure in Paris hergestellt.
Die Studie „Coupling of a single NV-center in diamond to a fiber-based microcavity“ wurde in Physical Review Letters veröffentlicht. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.243602

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Prof. Dr. Christoph Becher
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Tel.: 0681 302-2466
E-Mail: christoph.becher(at)physik.uni-saarland.de

Diplom-Physiker Roland Albrecht
Experimentalphysik
Tel.: 0681 302-3418
E-Mail: r.albrecht(at)physik.uni-saarland.de