Forschung & Entwicklung

Schwache Lichtpulse: exakte Photonenzahl und Kohärenz einzelner Photonen

Ein hochempfindlicher Detektor misst die Photonenzahl in Lichtpulsen aus Mikrolasern und bestimmt an einzelnen Photonen, ob es sich um thermische oder kohärente Strahlung handelt.

Herkömmlichen Fotodioden 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 eins Photonen unterscheiden. Etwas einfacher wird es erstaunlicher Weise wieder bei Einzelphotonenquellen, die man mit sogenannten Klick-Detektoren charakterisieren kann. Da weiß man, dass diese immer nur ein Photon emittieren. Offen blieb auch bislang der interessante Zwischenbereich, in dem Mikrolaser schwache Lichtpulse von rund 1 bis 40 Photonen emittieren.

Gemeinsam mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) ist es Physikern in der Arbeitsgruppe von Professor Stephan Reitzenstein vom Institut für Festkörperphysik an der TU Berlin erstmals gelungen, ein Messverfahren zu entwickeln, das auch bei extrem schwachen Intensitäten die exakte Anzahl an Photonen misst.

Für die Messungen kam ein sogenannter Transition-Edge-Detektor zum Einsatz. Weltweit gibt es nur eine Handvoll solcher Detektorsysteme. Das System, das vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA und der PTB entwickelt wurde, wird knapp über dem absoluten Nullpunkt bei einer Temperatur von lediglich 100 Millikelvin betrieben. Damit ist es möglich, genau zu messen, ob in einem Lichtpuls ein, zwei oder mehrere Photonen gleichzeitig ankommen.

Die Leistungsfähigkeit des Systems zeigten die Wissenschaftler anhand zweier Mikrolaser, die mit den bisher etablierten Messmethoden vermeintlich dieselben Eigenschaften zeigten, bei jedem Puls aber eine unterschiedliche Photonenverteilung aufwiesen. Die Mikrolaser wurden mit Kollegen in der Gruppe von Professor Sven Höfling an der Universität Würzburg entwickelt.

Die Anzahl der Photonen pro Puls bewegte sich in einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung. Um die genaue Form dieser Verteilung zu ermitteln, wurden viele Millionen Messungen mit einzelnen Pulsen gemacht und jeweils die exakte Photonenzahl pro Puls bestimmt. Aus den Ergebnissen wurde eine Art Histogramm gefertigt, mit dem sich Voraussagen machen lassen, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein bestimmter Mikrolaser bei einem bestimmten Puls eine genau bestimmte Zahl an Photonen emittiert.

Die Messungen zeigen 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. Laserlicht und thermisches Licht könne die gleiche Leistung erbringen, sehe aber in dem Photonenhistogramm ganz anders aus, erklären die Wissenschaftler. Damit kann eine scharfe Trennung der Lichtpulse zwischen Laserlicht und thermischem Licht auch im Quantenregime einzelner Photonen getroffen werden.

Diese Art von Messungen für Mikrolaser gab es bislang nicht. Das sei auch ein interessantes Ergebnis für alle Theoretiker, die Voraussagen gemacht haben, wie die Photonenverteilung bei den Mikrolasern aussehen solle, sagt Stephan Reitzenstein. So kann jetzt erstmalig untersucht werden, ob die prognostizierte Verteilung der Realität entspricht.

Originalveröffentlichungen:

[E. Schlottmann et al., Exploring the Photon-Number Distribution of Bimodal Microlasers with a Transition Edge Sensor, Phys. Rev. Applied 9 (2018), DOI:10.1103/PhysRevApplied.9.064030]

[M. Klaas et al., Photon-Number-Resolved Measurement of an Exciton-Polariton Condensate, Phys. Rev. Lett. 121 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.047401]

von mg

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