Physiker entwickeln Lichtspeicher aus Diamant im Nanometerbereich
Farbzentren in einem Nanoresonator sorgen für hohe Effizienz bei Einzelphotonen-Emission
Das Nano Structuring Center (vormals Nano+Bio Center) der TU Kaiserslautern war zentral bei der Materialherstellung eingebunden für Forschungsarbeiten, die zu einem kürzlich erschienen Artikel in der hochangesehenen Fachzeitschrift Nature Nanotechnology geführt haben: J. Riedrich-Möller, L. Kipfstuhl, C. Hepp, E. Neu, C. Pauly, F. Mücklich, A. Baur, M. Wandt, S. Wolff, M. Fischer, S. Gsell, M. Schreck, C. Becher, One- and two-dimensional photonic crystal microcavities in single crystal diamond, Nature Nanotechnology 2011
Wissenschaftler um Christoph Becher von der Universität des Saarlandes haben einen winzigen Lichtspeicher aus Diamant hergestellt, mit dem sie die Erzeugung von Einzelphotonen deutlich steigern konnten. Solche Nanoresonatoren gelten als essentiell für die künftige Nutzung von Farbzentren für die Quanteninformationsübertragung. Dieses Forschungsgebiet ist interessant, weil es auf dem Gebiet der Quanteninformation, der Signalübertragung mit einzelnen Lichtteilchen, hundertprozentige Datensicherheit gibt.
Die Herstellung der Resonatoren auf der Nanometerskala erfolgte in einer interdisziplinären Kooperation der Saarbrücker Materialwissenschaftler mit Physikern der Universitäten Augsburg, Freiburg und Kaiserslautern. Der Diamant, den die Forscher verwendeten, wird künstlich hergestellt und hat annähernd ideale Eigenschaften, was Reinheit und Transparenz angeht. Zur Fabrikation dieser Lichtkäfige wurde zuerst im TU Nano Structuring Center eine nur 300 Nanometer dünne Membran präpariert. Um den Diamanten für das ausgesandte Licht hochreflektierend zu machen und so die Erzeugungsrate der Photonen massiv zu erhöhen, verwendeten die Wissenschaftler eine photonische Kristallstruktur. Dazu haben sie in die Diamantmembran Löcher mit etwa 80 Nanometern Durchmesser „gebohrt“. Durch Bragg-Reflexionen an den Lochseitenwänden werden die von Atomen im Diamant ausgesandten Lichtteilchen, also die Informationsträger, wie in einem Käfig in der Mitte der Lochstruktur gespeichert.
Die Photonen selbst erzeugten die Wissenschaftler mit Farbzentren – Fremdatome, die fest in das Kristallgitter des Diamanten eingebettet sind. Im Gegensatz zu „echten“ Atomen sind diese Farbzentren deutlich einfacher zu handhaben und erfordern weder aufwändige Vakuumanlagen noch komplizierte Kühlmechanismen um Lichtteilchen mit den gewünschten Eigenschaften auszusenden.
Nanoresonatoren gelten als essentiell für die künftige Nutzung von Farbzentren für die Quanteninformationsübertragung sowie für die Integration mehrerer Komponenten, um Lichtteilchen auf einem einzigen Chip zu erzeugen und zu übertragen. Das grundlegende Konzept der Saarbrücker Physiker bildet die Basis für zukünftige Experimente, in denen die Emission der Photonen kontrolliert, ihre Eigenschaften beeinflusst und Lichtteilchen mehrerer entfernter Farbzentren miteinander in Wechselwirkung gebracht werden sollen.