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Forschung & Entwicklung

Akkustische Wellen steuern Licht

25.10.2011

Ein neuartiger photonischer Kristall lässt akustisch gesteuerte Einzelphotonenquellen in greifbare Nähe rücken.

Darstellung eines photonischen Kristalls unter dem Einfluss einer akustischen Oberflächenwelle, die diesen periodisch räumlich und zeitlich moduliert (Bild: H. Krenner)

In einem durch Ultraschall steuerbaren künstlichen Kristall lassen sich Photonen sehr schnell und effizient mittels quantenmechanischer Effekte erzeugen und modulieren. Über diesen Brückenschlag zwischen Nanophotonik und Nanomechanik berichten Wissenschaftler vom Kompetenzzentrum Innovative Technologien (ACIT) der Universität Augsburg, vom Center for NanoScience (CeNS) in München sowie vom Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) gemeinsam mit Kollegen vom California Nano Systems Institute (CNSI) der University of California in Santa Barbara (UCSB), USA.
Die Forscher um den Augsburger Physiker Prof. Achim Wixforth und aus Santa Barbara stellten eine frei tragende, hauchdünne Membran aus einem Halbleitermaterial her, in die mit nanotechnischen Verfahren eine große Zahl periodisch angeordneter winziger Löcher geätzt wurde. In einem solchen photonischen Kristall kann sich das Licht nur in einem engen Frequenzbereich und entlang ausgezeichneter Richtungen ausbreiten. Als Lichtquelle wurden Quantenpunkte in den Kristall integriert, die nur Licht einer definierten Wellenlänge aussenden. Das Besondere an den Quantenpunkten ist, dass sie einzelne Photonen emittieren können. Bislang war es allerdings technisch nicht möglich, die Wellenlänge dieser Quanten-Lichtquellen exakt auf den Durchlassbereich des photonischen Kristalls abzustimmen.
Die Wissenschaftler lösten dieses Problem durch akustische Oberflächenwellen, die die Halbleitermembran zusammen mit den Quantenpunkten bei Mikrowellenfrequenzen im GHz-Bereich periodisch dehnen und strecken. Dadurch wird innerhalb von 0,3 ns auch der Durchlassbereich des photonischen Kristalls periodisch hin- und her geschaltet und mit dem Licht der Quantenpunkte in Resonanz gebracht. Dies geschieht zehnmal schneller und wesentlich präziser als mit irgendeinem anderen Ansatz weltweit. Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts wird mit der Frequenz des „Nanobebens“ um mehrere Linienbreiten spektral verschoben.
Basierend auf den Ergebnissen hoffen die Partner dieser Forschungskooperation, in Kürze eine hoch effiziente, akustisch gesteuerte Einzelphotonenquelle realisieren zu können, wie sie für Anwendungen in der Quantenoptik, in der Kryptografie oder auch für die Entwicklung eines optischen Computers dringend benötigt wird.
[D.A. Fuhrmann, S.M. Thon, H. Kim, D. Bouwmeester, P.M. Petroff, A. Wixforth, H.J. Krenner, Dynamic modulation of photonic crystal nanocavities using gigahertz acoustic phonons, Nature Photonics 5, 605–609 (2011), doi:10.1038/nphoton.2011.208]

Photonik 6/2011

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