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TU Berlin

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Forschung

Wenn Licht sich in Materie wandelt

Freitag, 14. Februar 2014

Quantenoptische Licht-Materie-Kopplung für ultraschnelle Datenkommunikation unter Betriebsbedingungen nachgewiesen

Spiegel, Reflektoren, Linsen: Ulrike Woggon (r.) mit Nina Owschimikow und Mirco Kolarczik zeigen den komplizierten Versuchsaufbau an ihrem schwingungsgedämpften optischen Tisch
Lupe

„Das vom Menschen mittels Licht gesteuerte Erzeugen, Besetzen und Auslesen von Quantenzuständen ist ein Wunschtraum der modernen Quantenphysik“, schwärmt Prof. Dr. Ulrike Woggon, Professorin am Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin. Zusammen mit einem Team von Physikerinnen und Physikern der TU Berlin ist es ihrer Arbeitsgruppe jetzt gelungen, die quantenoptische Kopplung von Licht und Materie in einem Halbleiterbauelement unter realistischen Betriebsbedingungen nachzuweisen. Damit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die ultraschnelle Datenverarbeitung in der Telekommunikation. Die Ergebnisse des von Prof. Ulrike Woggon geführten Teams wurden kürzlich in „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Angefangen hat alles mit der Vision, genau den Moment beobachten zu können, in dem sich Licht in Materie umwandelt“, so Prof. Ulrike Woggon. Dieser Vorgang wird auch quantenoptische Kopplung von Licht und Materie genannt und ist für Physiker hochspannend, weil er bei der ultraschnellen Datenübertragung zur Signalmodulation eingesetzt werden könnte. Ganz grob betrachtet liegt der Informationsgehalt in der optischen Datenübertragung in Phase und Amplitude des Lasersignals. Im Moment sind Signalmodulationen aufgrund der verwendeten Materialien limitiert auf den Bereich von Pikosekunden (eine Pikosekunde entspricht 10–12 Sekunden). Signale, die über lange Strecken durch Glasfaserkabel transportiert werden, müssen zudem – meist elektrisch – verstärkt werden. Werden optische Daten zeitlich zu dicht gepackt, besteht die Gefahr, dass die darin kodierte Information bei der elektrischen Verstärkung verfälscht wird. Festkörperbasierte Halbleitersysteme verstärken unter realen Umweltbedingungen Signale in einem Bereich von wenigen Pikosekunden originalgetreu. Bei noch kürzeren Zeiten stört vor allem der schnelle Verlust der Phaseninformation im Halbleiter, die sogenannte Quantendekohärenz.

„In unserem Experiment wird ein ultrakurzer Laserpuls durch einen speziellen Halbleiterverstärker geschickt und danach die Veränderungen in seiner Phase und Amplitude im Bereich von Zehntausendstel Pikosekunden ausgewertet“, erklärt Doktorand und Mitarbeiter Mirco Kolarczik. „Wichtig für unseren Versuch sind Halbleiternanostrukturen, deren Größe in allen drei Raumrichtungen nur wenige Nanometer beträgt und die wir als Quantenpunkte oder ,künstliche Atome‘ bezeichnen“, erläutert Dr. Nina Owschimikow, Mitarbeiterin von Prof. Woggon. Diese so genannten Halbleiterquantenpunkte werden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dieter Bimberg am „TU-Zentrum für NanoPhotonik“ entwickelt.

Das Phänomen der Dekohärenz, des schnellen Phasenverlusts der Quantenzustände, ist auch bei nanostrukturierten Halbleitern seit Langem bekannt und man ging bisher davon aus, dass nur bei sehr niedrigen Temperaturen und unter Laborbedingungen eine quantenoptische Kopplung von Licht und Materie messbar wäre. Durch die Entwicklung einer ultraschnellen, hochempfindlichen optischen Nachweistechnik ist es nun dem TU-Forscherteam gelungen, die Robustheit der Quantenkohärenz in Quantenpunktbauelementen auch bei Raumtemperatur und unter realen Betriebsbedingungen nachzuweisen. Mirco Kolarczik, Dr. Nina Owschimikow und Yücel Kaptan konnten präzise analysieren, wie Femtosekunden-Laserpulse (1 fs = 10–15 s) ihre charakteristische Form verändern, wenn sie durch einen quantenpunktbasierten Halbleiter geschickt werden. Simulationen der Experimente innerhalb der Arbeitsgruppe von PD Dr. Kathy Lüdge und Prof. Dr. Eckehard Schöll aus dem Institut für Theoretische Physik der TU Berlin untermauerten die experimentellen Daten. „Wir können jetzt die vollständige zeitliche Entwicklung mit der gesamten Amplituden- und Phaseninformation eines Quantenzustandes innerhalb weniger Femtosekunden verfolgen. Basierend auf dieser Forschung sollte es zukünftig möglich sein, wesentlich mehr Informationen in einem Laserpuls zu kodieren, als in der optischen Informationsverarbeitung zurzeit denkbar ist“, so Ulrike Woggon.

www.nature.com/ncomms/2013/131216/ncomms3953/full/ncomms3953.html

Katharina Jung

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