Quanteninformationstechnologie basierend auf einem Diamant-Chip rückt näher Nano-Lichtspeicher aus Diamant entwickelt - scinexx | Das Wissensmagazin
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Quanteninformationstechnologie basierend auf einem Diamant-Chip rückt näher

Nano-Lichtspeicher aus Diamant entwickelt

Das Bild zeigt einen Diamantsteg mit photonischer Kristallstruktur. Diese Diamant-Lichtspeicher könnten eine wichtige Komponente für die Quantenkommunikation in der Zukunft werden. © Kevin Streit

Hundertprozentige Sicherheit gibt es auf dem Gebiet der Quanteninformation, der Signalübertragung mit einzelnen Lichtteilchen. Nun haben Wissenschaftler einen winzigen Lichtspeicher aus Diamant entwickelt, mit dem sie die Erzeugung der benötigten einzelnen Lichtteilchen deutlich steigern konnten. Über die Herstellung der Resonatoren auf der Nanometerskala berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“.

Der von den Materialwissenschaftlern der Universität des Saarlandes zusammen mit Physikern der Universitäten Augsburg, Freiburg und Kaiserslautern verwendete Diamant wird künstlich hergestellt und hat annähernd ideale Eigenschaften, was Reinheit und Transparenz angeht.

Lichtkäfige nach Maß

Zur Fabrikation dieser Lichtkäfige präparierten die Forscher zuerst eine nur 300 Nanometer dünne Membran. Um den Diamanten für das ausgesandte Licht hochreflektierend zu machen und so die Erzeugungsrate der Lichtteilchen oder Photonen massiv zu erhöhen, verwendeten sie dann eine sogenannte photonische Kristallstruktur.

Dazu haben Janine Riedrich-Möller und Laura Kipfstuhl sowie weitere Mitarbeiter des Teams um Professor Christoph Becher in die Diamantmembran Löcher mit etwa 80 Nanometern Durchmesser „gebohrt“. Das entspricht etwa einem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Durch mehrfache Reflexionen – so genannte Bragg-Reflexionen – an den Lochseitenwänden wurden die von Atomen im Diamant ausgesandten Lichtteilchen, also die Informationsträger, wie in einem Käfig in der Mitte der Lochstruktur gespeichert.

Farbzentren erzeugen Lichtteilchen

Zur Erzeugung der Lichtteilchen selbst verwenden die Wissenschaftler so genannte Farbzentren. Das sind Fremdatome, die fest in das Kristallgitter des Diamanten eingebettet sind. Im Gegensatz zu „echten“ Atomen sind diese Farbzentren den Forschern zufolge deutlich einfacher zu handhaben und erfordern weder aufwändige Vakuumanlagen noch komplizierte Kühlmechanismen um Lichtteilchen mit den gewünschten Eigenschaften auszusenden.

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Die Realisierung der Nano-Resonatoren gilt als essentiell für die künftige Nutzung von Farbzentren für die Quanteninformationsübertragung sowie für die Integration mehrerer Komponenten, um Lichtteilchen auf einem einzigen Chip zu erzeugen und zu übertragen.

Basis für zukünftige Experimente geschaffen

Das grundlegende Konzept der Saarbrücker Physiker bildet die Basis für zukünftige Experimente, in denen die Emission der Photonen kontrolliert, ihre Eigenschaften beeinflusst und Lichtteilchen mehrerer entfernter Farbzentren miteinander in Wechselwirkung gebracht werden sollen. Diese Schritte rücken die Vision einer Quanteninformationstechnologie, basierend auf einem Diamant-Chip, in greifbare Nähe, so die Wissenschaftler.

(Universität des Saarlandes, 18.11.2011 – DLO)

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