|
Wo sich die Elektronen in einem Quantenpunkt befinden, ist nicht ohne Weiteres erkennbar. Prof. Peter Michler und sein Team am Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen führen Experimente durch, um mit Hilfe der optischen Spektroskopie die quantenmechanischen Gesetze an einzelnen gekoppelten Quantenpunkten sichtbar zu machen. So könnte es eines Tages möglich werden, mit einer Matrix von Halbleiter-Quantenpunkten und ultraschnellen Laserpulsen Quanteninformationen zu verarbeiten. Damit ließe sich beispielsweise die Datenkommunikation vor unbemerkten Lauschangriffen schützen.
|
|
|
Wenn zwei Quantenpunkte räumlich sehr nah, das heißt bis auf wenige Nanometer, beieinander sind, können Quanteneffekte in Erscheinung treten, die in der klassischen Welt nicht existieren. Vor Kurzem gelang es Michlers Kooperationspartner Oliver Schmidt vom Leibnitz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden (vormals am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung), mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie lateral sehr dicht benachbarte Quantenpunkte herzustellen. Es handelt sich dabei um ein Verfahren zur Herstellung dünner kristalliner Schichten. Die Quantenpunkte können durch einen kurzen optischen Laserpuls gezielt mit einzelnen Elektronen gefüllt werden. Die von den Elektronen eingenommenen Energiezustände hängen von der Größe, der Form, und dem verwendeten Materialsystem der jeweiligen Quantenpunkte ab. Wenn die elektronischen Energieniveaus des linken und rechten Quantenpunktes energetisch sehr nahe beieinander liegen, tritt ein so genanntes resonantes Tunneln auf. Das bedeutet, dass ein Elektron über den beiden Quantenpunkten delokalisiert und somit keinem individuellen Quantenpunkt mehr zugehörig ist. Das kontrollierte Erzeugen und Nachweisen derartiger Zustände ist die Grundvoraussetzung für Konzepte, die momentan für die Quanteninformationsverarbeitung diskutiert werden. So ermöglicht die hier verwendete laterale Geometrie gegenüber den bisher realisierten vertikalen Ansätzen die Kopplung in zwei Dimensionen. Dies ermöglicht eine Hochskalierung auf eine sehr große Zahl von Quantenpunkten.
|
|
|
 |
|
|
 |
|
|
|
Schematisches Diagramm zur eindimensionalen Illu-stration der Kopplung innerhalb der Quanten-punktmoleküle. Durch Anlegen statischer elektrischer Felder kann die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons und der Grad der Kopplung manipuliert werden. (Foto und Grafik: Institut)
|
|
Eine weitere Besonderheit dieser Quantenpunktmoleküle ist ihre Anordnung entlang ausgezeichneter Kristallachsen. Diese ermöglicht es, Elektroden zur Erzeugung elektrischer Felder auf der Probe aufzubringen. Mit Hilfe der Felder kann Grad der Delokalisierung gesteuert beziehungsweise ein Elektron gezielt vom linken zum rechten Quantenpunkt transportiert werden. Information über den bevorzugten Aufenthaltsort erhält man aus der strahlenden Rekombination des Elektrons mit einem jeweils ortsfesten Loch in den jeweiligen Quantenpunkten. Mit der hochempfindlichen optischen Spektroskopie ist es möglich, den Aufenthaltsort der Elektronen in Abhängigkeit des elektrischen Feldes zu studieren. Darüber hinaus können die verwendeten Quantenpunktemoleküle einzelne Photonen auf Bestellung abgeben. Durch gezielte Anregung von jeweils einem Elektron-Loch Paar mit einem kurzen optischen Puls wurde über eine von außen angelegte Spannung eine in der Wellenlänge abstimmbare Einzelphotonenlichtquelle verwirklicht.
Hilfreich für den Quantencomputer
Anwendungen finden diese Lichtquellen in dem sich schnell entwickelnden Gebiet der Quanteninformationswissenschaft. Dies trifft insbesondere auf die Quantenkryptographie zu, ein Verfahren, das fundamentale Eigenschaften der Quantenmechanik ausnutzt, um eine abhörsichere Datenkommunikation auf der Basis einzelner Photonen zu realisieren. Auch auf dem Weg zum Quantencomputer können einzelne Photonen hilfreich sein. Mit der Kombination von Einzelphotonenimpulsen und linearen optischen Elementen können hier grundlegende Logikoperationen verwirklicht werden. Die Untersuchungen sind charakteristisch für die Neuausrichtung der Forschungsschwerpunkte seit der Übernahme der Institutsleitung durch Prof. Michler. Sie spiegelt sich auch in einem neuen Namen: Im Januar 2007 wurde das bisherige Institut für Strahlenphysik in „Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen“ umbenannt.
Peter Michler/amg
|
