Augsburg/Santa Barbara/HK/KPP - Forschern der Universität Augsburg ist es gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der University of California in Santa Barbara (UCSB) gelungen, buchstäblich eine Brücke zwischen Nanophotonik und Nanomechanik zu schlagen: In der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "nature photonics" berichten sie über einen photonischen Kristall, in dem quantenmechanische Effekte für die Erzeugung und Modulierung von Photonen mit hoher Effizienz sorgen; gesteuert werden diese Efekte per Ultraschall. Damit rückt eine hoch effiziente, akustisch gesteuerte "Einzelphotonenquelle" in greifbare Nähe, wie sie für zahlreiche Anwendungen dringend benötigt wird.

Um zu ihren weitreichenden Ergebnissen zu gelangen, stellten die Wissenschafter eine frei tragende, hauchdünne Membran aus einem Halbleitermaterial her, in die mit Methoden der Nanotechnologie eine grosse Zahl periodisch angeordneter winziger Löcher geätzt wurde. In einem solchen photonischen Kristall kann sich das Licht nur in einem engen Frequenzbereich und entlang ausgezeichneter Richtungen ausbreiten. Als Lichtquelle werden in den Kristall so genannte Quantenpunkte integriert, die - gleichsam wie künstliche Atome - nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge aussenden. Das besondere an den Quantenpunkten ist, dass das Licht sie in Form einzelner Lichtquanten (Photonen) verlässt.

Hohe Lichtausbeute durch "Purcell-Effekt"

Bislang war es allerdings technologisch nicht möglich, die Frequenz bzw. Wellenlänge dieser Quanten-Lichtquellen exakt auf den Durchlassbereich des photonischen Kristalls abzustimmen. Denn um dies zu erreichen, müssen beide - die Lichtquellen und der Durchlassbereich - bis auf deutlich weniger als einen Nanometer zur Deckung gebracht werden. Gelingt dies jedoch, kann bei genügend hoher Güte des photonischen Kristalls das Lichtfeld des Emitters mit diesem in Resonanz gebracht werden. Der quantenmechanische "Purcell-Effekt" sorgt dann dafür, dass eine immens erhöhte Lichtausbeute erzielt werden kann.

Dieses Problem haben die Forscher aus Augsburg und Santa Barbara nun ebenso einfach wie elegant gelöst: Durch den Einsatz winziger Erdbeben auf dem Kristall, durch so genannte akustische Oberflächenwellen, ist es möglich, die Halbleitermembran mit ihren vielen, präzise angeordneten Löchern zusammen mit den Quantenpunkten bei Mikrowellenfrequenzen periodisch zu dehnen und zu strecken. Durch diese periodische Dehnung und Streckung wird innerhalb einer drittel Nanosekunde auch der Durchlassbereich des photonischen Kristalls periodisch hin und hergeschaltet und mit dem Licht der Quantenpunkte in Resonanz gebracht - und zwar zehnmal so schnell und wesentlich präziser als mit irgendeinem anderen Ansatz weltweit.

Dringend benötigt

"Wir sind überzeugt davon", so Achim Wixforth vom Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg, "dass basierend auf den bahnbrechenden Ergebnissen dieser Forschungskooperation in Kürze eine hoch effiziente, akustisch gesteuerte 'Einzelphotonenquelle' realisiert werden kann, wie sie für Anwendungen in der Quantenoptik, in der Kryptografie oder auch für den 'optischen Computer' dringend benötigt wird." (red)