Forschern ist es gelungen, eine Brücke zwischen Nanophotonik und Nanomechanik zu schlagen: In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten sie über einen durch Ultraschall steuerbaren photonischen Kristall, in dem quantenmechanische Effekte dafür sorgen, dass Lichtquanten – Photonen – mit hoher Effizienz und sehr schnell in diesem Kristall erzeugt und moduliert werden können. Eine hoch effiziente, akustisch gesteuerte „Einzelphotonenquelle“, wie sie für zahlreiche Anwendungen dringend benötigt wird, rücke damit in greifbare Nähe, so die Wissenschaftler.
In ihrer Studie stellten die Forscher 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 einer solchen, photonischer Kristall genannten Struktur 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.
Bis auf deutlich weniger als einen Nanometer passgenau
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.
Zehnmal so schnell und wesentlich präziser
Dieses Problem haben die Forscher der Universität Augsburg zusammen mit Kollegen vom California Nano Systems Institute (CNSI) an der University of California in Santa Barbara (UCSB) 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 den Wissenschaftlern zufolge 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.
Modulation der Emissionswellenlänge im Takt des Nanobebens
„Nachdem die Idee des akustisch modulierten photonischen Kristalls schon einige Zeit in unserer Forschungsgruppe existiert, ist es eine besondere Freude, wenn man nach vielen technologischen Mühen und Anstrengungen dann eines Tages erstmals wirklich die rasend schnelle Modulation der Emissionswellenlänge im Takt des Nanobebens auf dem Chip sehen kann“, so der Augsburger Forscher Daniel Fuhrmann.
„Wir haben – und das freut mich nicht minder – wieder einmal gezeigt, dass unsere Spezialität, die akustischen Oberflächenwellen nämlich, auch im Bereich der Nanophotonik für große Überraschungen und exzellente Forschungsergebnisse gut sind.“
Nanobeben auf dem Chip
In der Augsburger Arbeitsgruppe werden solche Wellen nämlich für ganz unterschiedliche Zwecke über die Chips gejagt: In einem vielfältigen Spektrum, das von Biochips zur Untersuchung einzelner Zellen über die Vervielfältigung genetischen Materials oder das Verständnis biophysikalischer Phänomene wie der Blutgerinnung bis hin zur Untersuchung von Quanten Halleffekt und Metall-Isolatorübergängen reicht, haben die „Nanobeben auf dem Chip“ in den vergangenen Jahren immer wieder beachtliche Forschungsergebnisse ermöglicht, mit denen sich die Arbeitsgruppe einen Namen auf der ganzen Welt gemacht hat.
Auf dem Weg zur „Einzelphotonenquelle“
Über sein spektakuläres Ergebnis hinaus ist das Experiment von Fuhrmann und seinen bayerisch-kalifornischen Kollegen auch ein hervorragendes Beispiel für die internationale Zusammenarbeit zwischen den beiden High-Tech-Bundestaaten diesseits und jenseits des Atlantiks: Sowohl Krenner als auch Professor Achim Wixforth haben lange Zeit an der UCSB in Santa Barbara geforscht.
„Wir sind überzeugt davon“, so Wixforth, „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.“
(Universität Augsburg, 20.10.2011 – DLO)
