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Kopplung von Licht und Materie kontrolliert

Forscher aus Würzburg und London haben den Grundstein für ein neues Gebiet der Nano-Optik gelegt: Ihnen ist es gelungen, die Kopplung zwischen Licht und Materie bei Raumtemperatur unter Kontrolle zu bringen.

Wenn Wissenschaftler im Journal Science Advances publizieren, darf man davon ausgehen, dass sie eine besonders aufregende Neuerung präsentieren. Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) sind aktuell in diesem Journal vertreten: Ihnen ist es mit britischen Kollegen gelungen, Licht und Materie bei Raumtemperatur zu koppeln und diesen Zustand zu kontrollieren.
Treiben die Forscher ihre Arbeit auf diesem Gebiet weiter erfolgreich voran, könnte das einmal für die Realisierung von optischen Quantencomputern bedeutsam sein. Solche Computer, die gewissermaßen „mit Licht rechnen“, sollten um ein Vielfaches leistungsfähiger als bisherige Rechner sein.

Emittierte Lichtteilchen gefangen und re-absorbiert
Ein Lichtteilchen (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 ist hochinteressant für die Informationsverarbeitung, da hier Quanteninformation zwischen Materie und Licht unter Erhaltung der Quanteneigenschaften ausgetauscht wird“, sagt Professor Bert Hecht vom Physikalischen Institut der JMU.

Plasmonischen Nano-Resonator verwendet
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. Den Teams der Professoren Bert Hecht und Ortwin Hess (Imperial College, London) 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 Nano-Resonator 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“, erklärt Hechts Mitarbeiter Heiko Groß. Dadurch werde das gespeicherte Photon mit hoher Wahrscheinlichkeit vom Emitter re-absorbiert.

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