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Ein Photon, bitte!

Wissenschaftler der Toshiba-Forschungslaboratorien in Cambridge haben eine auf einem winzigen Halbleiterkristall beruhende Lichtquelle entwickelt, die einzelne Photonen im infraroten Bereich des Spektrums aussendet. Obwohl der Prototyp dazu mit einem energiereichen Laserpuls beschossen werden muss, könnten zukünftige Versionen auch mit kurzen Stromstössen angeregt werden. Die Lichtquelle stellt somit einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung abhörsicherer Kommunikationsnetzwerke dar.

Martin Ward und seine Kollegen von Toshiba und der Universität Cambridge schlossen in ihrem Experiment nur wenige Nanometer kleine Kristalle aus den Halbleitern Indium- und Galliumarsenid, so genannte Quantenpunkte, in eine vertikale Spiegelkammer ein. Diese bestand aus einem mikroskopisch kleinen Halbleiterzylinder, der an beiden Enden mit sich abwechselnden Schichten zweier Halbleiter versehen war.

Der Zylinder fungierte demnach als optischer Resonator, der Licht einer genau festgelegten Wellenlänge verstärkte. Da die Wellenlänge der von Quantenpunkten ausgestrahlten Photonen von der Größe der Kristalle abhängt, konnten die Forscher somit sicherstellen, dass trotz der großen Zahl von Quantenpunkten in dem Zylinder nur ein einziger Kristall bei Anregung Photonen aussenden konnte. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Quantenpunkt in einem Resonator ein Photon aussendet, ist nämlich außerhalb der Resonanz nur sehr gering.

Als die Forscher nun den Lichtblitz eines Lasers auf den Zylinder schossen, sendete dieser ein einzelnes Photon aus, das durch eine Glasfaser zu einem Detektor geleitet wurde. Um ganz sicher zu gehen, bauten die Wissenschaftler zusätzlich noch einen optischen Filter in die Glasfaser ein, um Photonen von Quantenpunkten, die sich nicht in Resonanz mit der Spiegelkammer befanden und dennoch Photonen aussendeten, zu blockieren.

Leider funktioniert diese Lichtquelle derzeit nur bei einer Maximaltemperatur von etwa 30 Kelvin, so dass flüssiges Helium zur Kühlung verwendet werden muss. Die Forscher sind allerdings zuversichtlich, dass zukünftige Versionen auch in der Nähe der Raumtemperatur arbeiten und im Prinzip sogar elektrisch angeregt werden könnten.

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Stefan Maier
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