Forschung & Entwicklung

Kopplung von Licht und Materie besser kontrolliert

Zukünftige optische Quantencomputer sollen möglichst auch unter Umgebungsbedingungen funktionieren. Ein neues Experiment erreicht eine kontrollierte Licht-Materiekopplung bei Raumtemperatur.

Physikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) ist es mit britischen Kollegen gelungen, Licht und Materie bei Raumtemperatur zu koppeln und diesen Zustand zu kontrollieren.

Ein Photon entsteht, wenn zum Beispiel ein Molekül oder ein Quantenpunkt elektronisch angeregt wurde und dann in seinen niederenergetischen Grundzustand zurückkehrt. Dieser Prozess ist als spontane Emission bekannt – und er ist normalerweise nicht umkehrbar. Ein emittiertes Lichtteilchen wird nicht einfach zum Emitter zurückkehren und dort wieder absorbiert werden.

Koppelt man aber den Emitter an ein Speicherelement für Licht, einen sogenannten optischen Resonator, dann kann das emittierte Photon eine gewisse Zeit in der Nähe des Emitters bleiben und von diesem wieder absorbiert werden. Eine solche Umkehrung der spontanen Emission sei hochinteressant für die Informationsverarbeitung, da hier Quanteninformation zwischen Materie und Licht unter Erhaltung der Quanteneigenschaften ausgetauscht werde, sagt Prof. Bert Hecht vom Physikalischen Institut der JMU.

Der Austausch von Quanteninformation ist jedoch meistens nur bei sehr tiefen Temperaturen realisierbar, weil dann die Spektrallinien der Emitter sehr scharf sind und deshalb die Absorptionswahrscheinlichkeit hoch ist. Dem Wissenschaftlerteam ist es nun als einer der ersten Gruppen weltweit gelungen, den Zustand der starken Kopplung von Licht und Materie bei Raumtemperatur zu erreichen.

Um die Wiederabsorption eines Photons auch bei Raumtemperatur zu erwirken, haben die Forscher einen plasmonischen Nanoresonator verwendet, der die Form eines extrem schmalen Schlitzes in einer dünnen Goldschicht hat. Dieser Resonator erlaubt es, die elektromagnetische Energie eines gespeicherten Photons räumlich stark zu konzentrieren, nämlich auf einen Bereich, der nicht viel größer ist als ein Quantenpunkt. Dadurch wird das gespeicherte Photon mit hoher Wahrscheinlichkeit vom Emitter reabsorbiert.

Diese Idee wurde auch schon von anderen Arbeitsgruppen umgesetzt. Die Forscher aus Würzburg und London haben es nun aber unter anderem geschafft, die Kopplung zwischen Resonator und Emitter zu kontrollieren, sie kontinuierlich zu verändern und sie gezielt ein- und auszuschalten. Das gelang dem Team, indem es den Resonator an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops befestigte und ihn so mit hoher Präzision in die unmittelbare Nähe des Emitters – in diesem Fall eines Quantenpunktes – bringen konnte.

Die Forscher hoffen jetzt darauf, die Kopplung von Quantenpunkt und Resonator noch gezielter beeinflussen zu können – eventuell sogar direkt durch eingestrahlte Photonen. Daraus ergäben sich neue Möglichkeiten für die Realisierung von optischen Quantencomputern.

Originalveröffentlichung:

[H. Groß, J. M. Hamm, T. Tufarelli, O. Hess, B. Hecht, Near-field strong coupling of single quantum dots, Sci. Adv. 4 (2018), DOI: 10.1126/sciadv.aar4906]

von mg

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