Das symbolische Foto zeigt die Steuerung von Photonenechos mithilfe von Laserpulsen. [Image: Bezim Mazhiqi, Paderborn University]
Bergsteiger, die in einen Abgrund schreien, haben keine Möglichkeit, die Zeit zu kontrollieren, die das akustische Echo ihrer Schreie benötigt, um zurückzukehren. Forscher zweier deutscher Universitäten haben eine Laserpulsmethode zur präzisen Steuerung optischer Echos aus Halbleiterquantenpunkten entwickelt (Commun. Phys., Doi: 10.1038 / s42005-020-00491-2).
Photonenechos studieren
Quantenpunkte und ihre Exzitonen können als einfache zweistufige Quantensysteme modelliert werden, wodurch sie für die Untersuchung nanoskaliger Phänomene nützlich sind. Photonenechos sind das optische Frequenzanalogon von Spinechos, bei denen ein Impuls von Hochfrequenzstrahlung den Spin eines einfachen Systems wie eines Wasserstoffatoms wiederherstellt – die Technologie hinter der Magnetresonanztomographie in der Medizin.
„Die Hauptidee ist es, die Dephasierung in einem inhomogenen Ensemble von Oszillatoren zu stoppen und einzufrieren – ein intrinsischer Prozess, der normalerweise automatisch abläuft und nicht vermieden werden kann, wenn nicht aktiv darauf reagiert wird“, sagte Ilja A. Akimov, Physikerin bei die Technische Universität Dortmund.
Steuerung der Pikosekunden-Zeitskalen
Zunächst modellierte die Gruppe unter der Leitung von Akimov und Torsten Meier von der Universität Paderborn den Effekt, den Lichtimpulse auf die Phasen des Exzitonenensembles eines Quantenpunkts haben würden, mathematisch. Als nächstes führte das Team ein Experiment mit einer einzelnen Schicht aus Indium / Galliumarsenid-Quantenpunkten durch, die zwischen Schichten aus Aluminiumgalliumarsenid angeordnet waren. Die Substratschichten mit einer Dicke von 68 nm bis 82 nm bildeten einen Bragg-Spiegel mit einer Resonatormode im Spektralbereich von 910 nm bis 923 nm.
Nachdem das Sandwich auf 2 K abgekühlt war, trafen die Wissenschaftler es mit Anregungs- und Steuerimpulsen von 2,5 ps von einem modengekoppelten Ti: Saphir-Laser mit mechanischen Translationsstufen, die die Verzögerungszeiten zwischen den beiden Impulstypen variierten. Diese Impulse erzeugen das Photonenecho. Ein dritter Resonanzimpuls – vom selben Laser – verlangsamt oder beschleunigt die Photonenechoemissionszeit, abhängig von der Ankunftszeit. Diese Verzögerung oder dieser Vorschub betrug maximal 5 ps.
„Frühere Untersuchungen von Photonenechos in Atomensembles und Seltenerdkristallen verwendeten optische Impulse von 100 ns und längerer Dauer“, sagte Akimov. Die kurze Dauer der Photonenechopulse in diesen Halbleiterquantenpunkten ermöglichte es den Forschern, die Zeitsteuerung auf den Pikosekundenbereich auszudehnen.
Quantenspeicheranwendungen und mehr
Diese Art der Steuerung von Photonenechos könnte in zukünftigen Plänen zur Manipulation der Lichtemission von Quantenpunkten und anderen photonischen Systemen im Nanomaßstab wichtig sein. Akimov und die Forscher der Paderborn University planen, diese Arbeit auf optische Quantenspeicher mit hoher Bandbreite anzuwenden, die auf Halbleiterquantenpunkten basieren.
„Im Allgemeinen ist in optoelektronischen und nanophotonischen Schaltkreisen eine genaue Steuerung des Timings kurzer optischer Signale erforderlich“, sagte Akimov. Insbesondere könnten unsere Ergebnisse für Zeitkorrekturen in quantenoptischen Speicherprotokollen verwendet werden, in denen nicht klassische optische Signale in der QD gespeichert sind [quantum dot] Ensemble und kann jederzeit in Form von Photonenechos abgerufen werden. „“
„Gleichzeitig eröffnen unsere Studien viele andere Möglichkeiten, wie die Quanteninterferometrie elektronischer Anregungen in Festkörpersystemen“, fügte Akimov hinzu. „In diesem Fall wird der Steuerimpuls verwendet, um das Photonenecho auf die gleiche Weise wie herkömmliche Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometer in zwei Impulse aufzuteilen.“
Meier und seine Kollegen leiteten den theoretischen Teil der Studie, während Akimov und Kollegen das Experiment durchführten. An der Studie nahmen auch Forscher von zwei weiteren deutschen Universitäten (Universität Würzburg und Universität Oldenburg) und zwei russischen Institutionen (Staatliche Universität St. Petersburg und Ioffe-Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften) teil.
