Erste Lichtquelle für einzelne Photonen entwickelt
Forscher versetzen Leuchtdiode mit Halbleiterquantenpunkten
Wissenschaftler der Toshiba Forschungslabors und der Universität von Cambridge haben eine elektrisch betriebene Lichtquelle entwickelt, die einzelne Photonen aussendet. Dazu versetzten sie eine herkömmliche Leuchtdiode mit Halbleiterquantenpunkten. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung können Elektronen und Löcher in den Quantenpunkten rekombinieren. Dies führt zu der Aussendung von einzelnen Photonen, berichten die Forscher in einer der kommenden Ausgaben des Fachblattes Science.
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Das Forscherteam um Andrew Shields dotierte eine aus dem Halbleiter Galliumarsenid bestehende Leuchtdiode mit Nanokristallen, so genannten Quantenpunkten, aus Indiumarsenid. Wird nun eine elektrische Spannung an die Leuchtdiode gelegt, so wandern freie Elektronen und Löcher (positive Ladungsträger) durch die Galliumarsenidschicht mit den Quantenpunkten.
Da diese Quantenpunkte aus Indiumarsenid eine kleinere Bandlücke als Galliumarsenid aufweisen, können sie einzelne Elektronen und Löcher einfangen. Diese rekombinieren innerhalb von Bruchteilen von Sekunden, was zu der Aussendung eines einzelnen Photons führt. Eine kleine Öffnung an der Oberseite der Leuchtdiode lässt dann diese einzelnen Photonen aus der Lichtquelle austreten.
Diese Experimente stellen die erste gelungene Demonstration einer rein elektrisch betriebenen Quelle für einzelne Photonen dar. Bisher mussten derartige Lichtquellen mit aufwändigen Lasern betrieben werden. Da einzelne Photonen ein wichtiges Forschungsobjekt in der angewandten Quantenphysik sind, stellt eine elektrische betriebene Lichtquelle eine beträchtliche Vereinfachung zukünftiger Experimente dar.
Die Lichtquelle des Forscherteams erzeugt Photonen im infraroten Bereich des Spektrums. Durch Veränderung der Halbleiterquantenpunkte sollte es allerdings möglich sein, die Wellenlänge der emittierten Photonen über einen weiten Bereich des Spektrums zu variieren - so auch etwa zu der für die Telekommunikation wichtigen Wellenlänge von 1,3 Mikrometern. Die Forscher hoffen, dass ihre Lichtquelle einen breiten Einsatz in der physikalischen Forschung finden wird.
Stefan Maier
