Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spezieller Detektor misst die exakte Anzahl von Photonen in einem schwachen Lichtpuls

30.07.2018

Für die meisten Menschen ist Licht gleich Licht. Nicht so für die Physiker in der Arbeitsgruppe von Stephan Reitzenstein, vom Institut für Festkörperphysik an der TU Berlin. „Uns interessiert ganz genau, aufgrund welcher Prozesse Licht (also Photonen) emittiert wird.

Die sogenannte Photonenstatistik, also wie viele Photonen sind in einem bestimmten Lichtpuls enthalten, gibt uns unter anderem Aufschluss darüber, ob es sich um Laserlicht (sogenanntes kohärentes Licht) oder normales, thermisches Licht (sogenanntes inkohärentes Licht) handelt. Bei starken Lichtquellen ist die Entscheidung zwischen dem kohärenten Licht eines Lasers und dem thermischen Licht zum Beispiel einer Kerze naturgemäß sehr einfach.


Elisabeth Schlottmann und Marco Schmidt, beide wissenschaftliche Mitarbeiter von Prof. Reitzenstein an der TU Berlin, präsentieren den komplexen Aufbau des speziellen Photonendetektors.

© TU Berlin/PR/Felix Noak

Komplizierter wird es bei schwachen Lichtpulsen, wie sie von nanophotonischen Lichtquellen ausgesendet werden. Mit den jetzt gemeinsam mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) veröffentlichen Forschungsarbeiten ist es erstmals gelungen, ein Messverfahren zu entwickeln, das auch bei extrem schwachen Intensitäten die exakte Anzahl an Photonen misst.

Normalen Photodioden-Detektoren fehlt die nötige Empfindlichkeit, um einzelne Photonen zu detektieren geschweige denn die exakte Anzahl der Photonen in Lichtpulsen zu bestimmen. Sie können beispielsweise nicht zwischen einer Million oder einer Million plus ein Photonen unterscheiden. Etwas einfacher wird es erstaunlicher Weise wieder bei Einzelphotonenquellen, die man mit so genannten Klick-Detektoren charakterisieren kann. Da weiß man, dass diese immer nur ein Photon emittieren.

„Offen blieb bislang der interessante Zwischenbereich, in dem Mikrolaser, schwache Lichtpulse von rund 1 bis 40 Photonen emittieren. Diese speziellen Mikrolaser wurden zusammen mit Kollegen in der Gruppe von Prof. Sven Höfling an der Universität Würzburg entwickelt“, skizziert Elisabeth Schlottmann, Mitarbeiterin in der AG Reitzenstein, die Forschungsthematik.

„Aufgrund unserer sehr guten und langjährigen Kooperation mit der PTB Berlin konnten wir gemeinsam mit den Kollegen in der Gruppe von Dr. Jörn Beyer einen entsprechenden Detektor, einen sogenannten Transition Edge Detektor, in unseren Labors aufbauen und nutzen“, so die Wissenschaftlerin.

Das Detektorsystem, das vom NIST (National Institute of Standards and Technology) in den USA und der PTB entwickelt wurde, wird knapp über dem absoluten Nullpunkt bei einer Temperatur von lediglich 100 Millikelvin betrieben – das entspricht ungefähr minus 273 Grad Celsius. Damit ist es tatsächlich möglich, genau zu messen, ob in einem Lichtpuls ein, zwei oder mehrere Photonen gleichzeitig ankommen. „So einen Detektor kann man nicht einfach kaufen. Weltweit gibt es nur eine Handvoll solcher Detektorsysteme.“, ergänzt Stephan Reitzenstein.

„Mit diesem Detektor erhalten wir wesentlich tiefergehende Informationen zu einem Lichtpuls als normalerweise möglich. So konnten wir beweisen, dass zwei Mikrolaser, die mit den bisher etablierten Messmethoden vermeintlich dieselben Eigenschaften zeigten, bei jedem Puls eine unterschiedliche Photonenverteilung aufweisen. Dabei bewegt sich die Anzahl der Photonen pro Puls in einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung“, so Elisabeth Schlottmann.

Um die genaue Form der Wahrscheinlichkeitsverteilung zu ermitteln, machte die Forscherin viele Millionen Messungen mit einzelnen Pulsen und bestimmte jeweils die exakte Photonenzahl pro Puls. Aus den Ergebnissen fertigte sie eine Art Histogramm, mit dem sich Voraussagen machen lassen, mit welcher Wahrscheinlichkeit, ein bestimmter Mikrolaser bei einem bestimmten Puls eine genau bestimmte Zahl an Photonen emittiert.

„Der Detektor unterscheidet auch, ob es sich bei den Photonen um chaotisches – also thermisches – Licht handelt oder um eine kohärente Verteilung der Photonen, wie man sie bei Laserlicht erwartet. Damit können wir eine scharfe Trennung der Lichtpulse zwischen Laserlicht und thermischem Licht auch im Quantenregime einzelner Photonen treffen. Interessanter Weise können Laserlicht und thermisches Licht die gleiche Leistung erbringen, sehen aber in dem Photonen-Histogramm ganz anders aus“, weiß Elisabeth Schlottmann.

„Diese Art von Messungen für Mikrolaser gab es bislang gar nicht. Das ist auch ein interessantes Ergebnis für alle Theoretiker, die Voraussagen gemacht haben, wie die Photonenverteilung bei den Mikrolasern aussehen sollte. Wir können jetzt erstmalig untersuchen, ob die prognostizierte Verteilung der Realität entspricht oder ob die Theoretiker noch einmal scharf nachdenken müssen“, sagt Stephan Reitzenstein, der die Ergebnisse im Rahmen seines ERC Consolidator Grants „EXQUISITE“ erzielt hat.

Exploring the Photon-Number Distribution of Bimodal Microlasers with a Transition Edge Sensor
E. Schlottmann, M. von Helversen, H. A. M. Leymann, T. Lettau, F. Krüger, M.Schmidt, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, J. Beyer, J. Wiersig, and S. Reitzenstein
Phys. Rev. Applied 9, 064030 (2018).
DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030

Photon-Number-Resolved Measurement of an Exciton-Polariton Condensate
M. Klaas, E. Schlottmann, H. Flayac, F. P. Laussy, F. Gericke, M. Schmidt, M. v. Helversen, J. Beyer, S. Brodbeck, H. Suchomel, S. Höfling, S. Reitzenstein, and C. Schneider
Phys. Rev. Lett. 121, 047401 – Published 25 July 2018
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401

www.tu-berlin.de/?id=197859

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr. Stephan Reitzenstein
TU Berlin
Institut für Festkörperphysik
Fachgebiet Optoelektronik und Quantenbauelemente
Tel.: 030 314-79704
Email: stephan.reitzenstein@physik.tu-berlin.de

Weitere Informationen:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.047401
http://www.tu-berlin.de/?id=197859

Stefanie Terp | Technische Universität Berlin

Weitere Berichte zu: Detektor Laserlicht Licht Lichtpuls Lichtquellen Mikrolaser Photon Photonen Quantenbauelemente

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern
16.01.2019 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation
16.01.2019 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedankenexperiment mithilfe eines verschränkten Atom-Licht-Zustands.

Bereits 1935 formulierte Erwin Schrödinger die paradoxen Eigenschaften der Quantenphysik in einem Gedankenexperiment über eine Katze, die gleichzeitig tot und...

Im Focus: Flying Optical Cats for Quantum Communication

Dead and alive at the same time? Researchers at the Max Planck Institute of Quantum Optics have implemented Erwin Schrödinger’s paradoxical gedanken experiment employing an entangled atom-light state.

In 1935 Erwin Schrödinger formulated a thought experiment designed to capture the paradoxical nature of quantum physics. The crucial element of this gedanken...

Im Focus: Implantate aus Nanozellulose: Das Ohr aus dem 3-D-Drucker

Aus Holz gewonnene Nanocellulose verfügt über erstaunliche Materialeigenschaften. Empa-Forscher bestücken den biologisch abbaubaren Rohstoff nun mit zusätzlichen Fähigkeiten, um Implantate für Knorpelerkrankungen mittels 3-D-Druck fertigen zu können.

Alles beginnt mit einem Ohr. Empa-Forscher Michael Hausmann entfernt das Objekt in Form eines menschlichen Ohrs aus dem 3-D-Drucker und erklärt: «Nanocellulose...

Im Focus: Nanocellulose for novel implants: Ears from the 3D-printer

Cellulose obtained from wood has amazing material properties. Empa researchers are now equipping the biodegradable material with additional functionalities to produce implants for cartilage diseases using 3D printing.

It all starts with an ear. Empa researcher Michael Hausmann removes the object shaped like a human ear from the 3D printer and explains:

Im Focus: Roter Riesenvollmond in den Morgenstunden des 21. Januar

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Frühaufsteher sind diesmal im Vorteil: Wer am Morgen des 21. Januar 2019 vor 6:45 Uhr einen Blick an den Himmel wirft, kann eine totale Mondfinsternis bestaunen. Dann leuchtet der sonst so strahlende Vollmond zwischen den Sternbildern Zwillingen und Krebs glutrot.

Um das Finsternis-Spektakel in seiner gesamten Länge zu verfolgen, muss man allerdings sehr früh aus dem Bett: Kurz nach 4:30 Uhr beginnt der Mond sich langsam...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wie Daten und Künstliche Intelligenz die Produktion optimieren

16.01.2019 | Veranstaltungen

Unsere digitale Gesellschaft im Jahr 2040

16.01.2019 | Veranstaltungen

Superbeschleuniger im Fokus

16.01.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

So schnell erwärmen sich die Dauerfrostböden der Welt

16.01.2019 | Geowissenschaften

Wirken Strahlen besser mit Gold?

16.01.2019 | Förderungen Preise

Wie Daten und Künstliche Intelligenz die Produktion optimieren

16.01.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics