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Veröffentlichung in „Com­mu­ni­ca­tions Physics“

Wis­sen­schaft­ler steuern erstmals Lichtechos

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Ein Versuchsaufbau mit einem roten Laserstrahl. © Lukas Langer​/​TU Dort­mund
Beim Versuchsaufbau wuden zwei kurze Laserimpulse auf eine Probe gesendet.

Wis­sen­schaft­lern der TU Dort­mund, der Uni­ver­si­tät Pa­der­born und der Uni­ver­si­tät Würzburg ist es erstmals ge­lungen, das sogenannte Photonenecho, das bei der Über­la­ge­rung von Licht­wel­len entstehen kann, mit­hil­fe von Laserimpulsen gezielt zu steuern. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fach­zeitschriftCom­mu­ni­ca­tions Physics“ von der Nature Publishing Group veröffentlicht. Die ex­peri­men­telle Umsetzung der For­schung lag bei der Arbeits­gruppe von Prof. Ilya Akimov, Fa­kul­tät Physik der TU Dort­mund.

„‚Wie man in den Wald hineinruft, so schallt es heraus‘ ist nicht nur eine bekannte Re­de­wen­dung, sondern stimmt auch wort­wört­lich. Wird die Schallwelle reflektiert, erklingt das Echo. Wann es jedoch zurückkommt, hängt vom Wald ab – vor allem aber vom Abstand zwischen dem Rufenden und dem Ort der Reflexion“, er­klärt Prof. Torsten Meier von der Uni­ver­si­tät Pa­der­born. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten den Zeitpunkt, wann das Echo zu Ihnen zurückkommt, beliebig verändern“, so der Physiker weiter. Einem Team von Wis­sen­schaft­lern ist so et­was nun ge­lungen. Allerdings nicht für akustische, sondern für optische Signale: Sie haben Photonenechos, die von Halb­lei­ter-Quantenpunkten ausgesendet wer­den, unterhalb der Sekundengrenze gezielt gesteuert.

Dazu Meier: „Optische Echos sind dabei et­was anders zu verstehen als herkömmliche akustische Echos, weil sie nicht durch die Reflexion von Wellen, sondern durch einen nichtlinearen optischen Prozess entstehen. Hierfür wer­den zwei kurze Laserimpulse auf eine Probe gesendet. Der erste entspricht hierbei dem Signal und der zweite dem Wald. Er sorgt also für die Reflexion. Bei der doppelten Verzögerungszeit dieser Pulse geht von dem an­ge­strahl­ten System ein neuer Lichtimpuls aus, das Photonenecho.“ Durch einen weiteren Kontrollimpuls konnten die Forscher dieses Photonenecho nun im Bereich von Pikosekunden steuern (umgerechnet entspricht das 10⁻¹² Se­kun­den) und damit gezielt an eine gewünschte zeitliche Position verschieben. Eine solche Kon­trol­le ist ins­be­son­de­re für nanophotonische Schaltkreise relevant, in denen viele optische Systeme präzise mit­ei­nan­der synchronisiert wer­den müssen.

Phänomen soll für neuartige An­wen­dungen weiterentwickelt wer­den

Die theoretische Vorhersage des Effekts ist in der Arbeits­gruppe von Prof. Torsten Meier entstanden. Eine große Her­aus­for­de­rung stellte die ex­peri­men­telle Umsetzung dar, die in der Arbeits­gruppe von Prof. Ilya Akimov (TU Dort­mund) realisiert wurde: „Die zeitliche Kon­trol­le von optischen Echos ist ein sehr robuster Effekt, bei dem durch den Kontrollimpuls das System quasi angehalten wird“, sagt Hendrik Rose, Doktorand in Pa­der­born. Alexander Kosarev, Doktorand an der TU Dort­mund, fügt hinzu: „Dieser Effekt wurde jüngst theoretisch vorhergesagt, ließ sich bei uns ex­pe­ri­men­tell umsetzen und bietet vielfältige Mög­lich­keiten für die Manipulation der Lichtemission von Halb­lei­ter­sys­te­men“. Die verwendeten Proben wurden in der Arbeits­gruppe von Prof. Sven Höfling (Uni­ver­si­tät Würzburg) hergestellt.

Profilfoto von Ilya Akimov © Privat
Apl. Prof. Ilya Akimov hat die ex­peri­men­telle Umsetzung geleitet.

Die Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen einer Zu­sam­men­arbeit, die von der Deut­schen Forschungs­gemein­schaft (DFG) durch den Trans­re­gio 142 „Tailored Nonlinear Photonics“ ge­för­dert wird. Basierend auf dieser ersten Demonstration wollen die Wis­sen­schaft­ler den Effekt nun optimieren, indem sie bei­spiels­weise die zeitlichen Verschiebungen vergrößern. Künftig soll das Phänomen ins­be­son­de­re für neuartige An­wen­dungen im Bereich der photonischen Quantentechnologien, die am Paderborner Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) intensiv erforscht wer­den, weiterentwickelt wer­den.

Originalpublikation:
https://doi.org/10.1038/s42005-020-00491-2

 

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