Einem internationalen Team aus Forschern der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) und der Universität Kyoto in Japan ist es gelungen, durch Einsatz einer neuartigen strukturierten Nanofaser die Emission von einzelnen Lichtteilchen, sogenannten Photonen, zu verstärken. Bei dem Experiment konnte nicht nur eine außerordentlich große Anzahl an Photonen erzeugt werden, sondern es gelang auch, deren Wellenlänge – also ihre Farbe – genau einzustellen. Über die Faser können diese maßgeschneiderten Lichtteilchen für Anwendungen in den neuen Quantentechnologien direkt verfügbar gemacht werden. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Onlineausgabe der Open-Access-Zeitschrift „Scientific Reports“ der Nature Publishing Group erschienen.

Die strukturierte Nanofaser ist eine spezielle Sorte von Mikroresonatoren, mit denen grundlegende physikalische Effekte auf dem Gebiet der Quantenoptik untersucht werden. Ähnlich wie die Stimmgabel Schallwellen speichern Mikroresonatoren Licht einer bestimmten Wellenlänge über einen sehr langen Zeitraum und verstärken dieses zusätzlich. Wechselwirkungen zwischen Photonen und einer kleinsten Menge von Materie – bis hinab zum einzelnen Atom – können so kontrolliert untersucht, verstärkt und auch genutzt werden.  „Die von dem Forscherteam verwendeten Mikroresonatoren wurden bereits im Jahr 2010 in Japan zum Patent angemeldet. Doch erst jetzt war es uns möglich, diese auch tatsächlich herzustellen. Denn der Prozess ist äußerst anspruchsvoll“, sagt Professor Oliver Benson, Leiter der Arbeitsgruppe Nanooptik am Institut für Physik der HU.

„Zur Herstellung verwendeten wir einen fokussierten Strahl bestehend aus Gallium-Ionen, um kleinste Strukturen auf eine sehr dünne Glasfaser zu gravieren. Der Durchmesser dieser optischen Nanofaser ist über einhundert Mal kleiner als der eines menschlichen Haares.“ Kleine Halbleiterkristalle mit einer Größe von nur wenigen Nanometern, das heißt Milliardstel Metern, dienten als Quellen für die Lichtteilchen. Diese Kristalle wurden gezielt auf den strukturierten Bereich der Nanofaser gelegt. Als Ergebnis wurde die Lichtemission verstärkt und Photonen direkt in die Glasfaser emittiert.

Ein Mikroresonator kann nur Licht einer bestimmten Wellenlänge speichern und verstärken. Soll dieses Licht mit bestimmten Molekülen oder Atomen gekoppelt werden, zum Beispiel für molekulare oder atomare optische Schalter, muss man den Resonator passgenau abstimmen. Den Forschern ist dies durch einen einfachen Mechanismus gelungen: Durch Ziehen an der Nanofaser kann sie kontrolliert verformt und somit die Eigenschaften des Resonators gezielt verändert werden. In einem System mit vielen verschiedenen Schaltelementen können diese – analog zu den Instrumenten eines Orchesters – aufeinander abgestimmt werden. Ein gezieltes Zusammenspiel wäre die Grundlage für einen integrierten optischen Quantenchip, der für das Quantenrechnen auf Quantencomputern erforderlich ist.

Derzeit arbeiten die Forscher daran, die Mikroresonatoren weiter zu verbessern und neben Halbleiterkristallen auch andere optische Emitter anzukoppeln. „Dies würde den Bereich möglicher Anwendungen weiter ausdehnen. Ein Beispiel aus der Telekommunikation wäre die sichere Datenübertragung mit Hilfe der Quantenkryptographie. Weiterhin könnte vielleicht nur ein einzelnes an die Faser gekoppeltes Molekül als Nanosensor eingesetzt werden. Ein solcher Sensor wäre der kleinstmögliche überhaupt und könnte mit bislang unerreichter Genauigkeit winzigste Subtanzmengen aufspüren“, fasst Benson die Ergebnisse zusammen.

Originalpublikation

Andreas W. Schell, Hideaki Takashima, Shunya Kamioka, Yasuko Oe, Masazumi Fujiwara, Oliver Benson, Shigeki Takeuchi: „Highly Efficient Coupling of Nanolight Emitters to a Ultra-wide Tunable Nanofibre Cavity”

Kontakt

Prof. Dr. Oliver Benson
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Physik

Tel: 030 2093-4711
oliver.benson@physik.hu-berlin.de