Forscher entwickelten Methode, mit der einzelne Photonen kontrolliert werden könnten

Wissenschaftler der University in Maryland beschreiben in der Fachzeitschrift Physical Review Letters eine Methode, mit der einzelne Photonen, manipuliert werden könnten. In ihrem Experiment gelang es dem Team um Christopher Davis mit Hilfe von winzigen Löchern in einer Goldbeschichtung den Photonenfluss zu regulieren. Die Manipulation einzelner Photonen spielt ebenso wie die von einzelnen Elektronen und Atomen eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung des Quantencomputers.

Im Gegensatz zu den Elektronen, die eine negative Ladung tragen, verlangt die Manipulation der ungeladenen Photonen, der Lichtteilchen also, einen tieferen Griff in die Trickkiste. Die Idee der Wissenschaftler um Davis beruht darauf, dass winzige Risse in einem auf Glas aufgebrachten Goldfilm den Photonenfluss regulieren können. Die Risse bzw. Löcher sollten nur dann den “normalen” Photonenstrom unterbinden, wenn sie kleiner als die Lichtwellenlänge sind.

Trifft Licht im sichtbaren Bereich auf das Gold auf, so regt das Photon in der Goldoberfläche Plasmonen an, die die Energie des Lichtes durch das Loch tragen und es auf der anderen Seite wieder als Licht emittieren. Nach Abschätzung der Wissenschaftler sollte schon die Energie eines einzelnen Photons genügen, um die elektrischen Felder im Loch zu verändern und somit den Durchgang für das nächste Photon zu sperren.

Damit diese Form der “Photonen-Blockade” funktioniert und die Photonen reguliert durch die Löcher schlüpfen können, musste bei der Umsetzung dieser Idee die Goldschicht mit einem organischen Material, dem Polymer Polydiacetylen, bedeckt werden, das in die Risse der Goldschicht eindringt. Dieses Schichtsystem wurde mit einem Laser bestrahlt und das transmittierte Licht, also der Photonenstrom, mit einer optischen Fiber gesammelt, die oberhalb der mikroskopischen Löcher positioniert wurde.

Bei einigen Löchern beobachteten die Wissenschaftler trotz einer Erhöhung der Laserintensität und damit der Anzahl der Photonen kein Anwachsen der Transmission, sondern einen gleichbleibenden Transmissionswert. Erst bei einer weiteren Erhöhung der Laserintensität stieg die Transmission wieder an. Obwohl bei diesem Experiment keine einzelnen Photonen manipuliert worden sind, ist nach Meinung der Wissenschaftler aufgrund des beobachteten Sättigungsverhalten eine Regulierung der Übergange von einzelnen Photonen möglich.

In einem Gespräch mit Physical Review Focus zeigten sich Cristiano Ciuti von der University of California in San Diego und Vladimir Shalaev von der Purdue University beeindruckt von dem Experiment. Allerdings wäre dieses ihrer Meinung nach noch überzeugender gewesen, wenn es bei unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt worden wäre. “Denn der Plasmoneneffekt”, so Ciuti, “sollte in einem bestimmten Wellenlängenbereich optimiert werden können”. Igor Smolyaninov, ein Mitarbeiter von Davis, antwortete darauf, dass es ihr Ziel gewesen sei, erstmalig Nachweise für eine Methode zu finden, die das Tunneln einzelner Photonen erlaubt. Er gibt aber zu, dass es noch viel zu tun gibt, bis einzelne Photonen manipuliert werden können.

Katja Bammel