Wissenschaftler entwickeln neue optische Resonatoren Nano-Pyramiden als Ruhestätten für Licht - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wissenschaftler entwickeln neue optische Resonatoren

Nano-Pyramiden als Ruhestätten für Licht

Nur wenige Tausendstel Millimeter groß sind diese Pyramidalen Optischen Resonatoren. Sie enthalten Quantenpunkte in Nanometer-Größe (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Mit diesen Strukturen untersuchen Karlsruher Wissenschaftler Licht-Materie-Wechselwirkungen. © CFN, Universität Karlsruhe (TH)

Die Ägyptischen Pyramiden sollten die toten Pharaonen sicher umschließen und ihnen so den Übergang in einen neuen Zustand ermöglichen. Karlsruher Forscher haben jetzt einige nur hundert Nanometer hohe Pyramiden entwickelt, in denen eingestrahltes Laserlicht mit so genannten Quantenpunkten in Wechselwirkung tritt. Durch die Energie des Laserlichts angeregt, geben die Quantenpunkte Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich ab. In der Pyramide, die aus der Halbleiter-Verbindung Galliumarsenid besteht, wird dieses „neue“ Licht „eingesperrt“ und erst nach einiger Zeit wieder abgestrahlt.

Die Pyramide selbst steht auf einem besonderen Spiegel. Zusammen mit den vier Pyramidenflächen reflektiert er das Licht, so dass es im Inneren der Struktur eingeschlossen ist. Bestimmte Lichtwellen überlagern und verstärken sich dabei – ein Phänomen, das als Resonanz bezeichnet wird.

Bauelemente, die darauf beruhende quantenoptische Effekte ausnutzen, könnten in Zukunft vielleicht dazu dienen, Licht zu manipulieren, so die Forscher um Michael Hetterich und Professor Heinz Kalt vom Institut für Technologie (KIT) in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters. Sie wären damit die technologische Basis für neuartige Quantencomputer, die in einigen Bereichen deutlich schneller und effizienter als heutige Rechner arbeiten würden.

Um die Pyramiden herzustellen, kombinieren die Forscher am Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des KIT zwei Verfahren. Mittels der Molekularstrahl-Epitaxie tragen sie einzelne Materialschichten auf, die nur einige hundert Atomdurchmesser dick sind. Anschließend tauchen sie die Probe in eine Lösung aus Phosphorsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser, das die einzelnen Schichten unterschiedlich stark wegätzt.

“Zutaten“ müssen stimmen

Nano-Pyramide aus Halbleitermaterial für den Einschluss von Licht: Nur wenige Tausendstel Millimeter groß ist dieser Pyramidale Optische Resonator. Er enthält Quantenpunkte in Nanometer-Größe (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Mit dieser Struktur untersuchen Karlsruher Wissenschaftler Licht-Materie-Wechselwirkungen. © CFN, Universität Karlsruhe (TH)

Dabei bestimmt das Mischungsverhältnis der Zutaten die Neigung der Pyramidenseiten. Entscheidend für die eigentliche Funktion der Strukturen ist aber ihr Innenleben: In die Pyramiden werden Quantenpunkte mit eingebaut, die aus wenigen Tausend Atomen eines anderen Materials bestehen und den gleichmäßigen Aufbau des Galliumarsenid gezielt stören. Wenn sie mit Laserlicht angeregt werden, strahlen sie selbst wieder Licht mit einer anderen Wellenlänge ab. Der optische Resonator verstärkt die Licht-Materie-Wechselwirkung und erhöht somit die Ausbeute an abgestrahltem Licht mit bestimmten Wellenlängen.

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Noch sind andere optische Resonatoren den Karlsruher Nano-Pyramiden in einigen Punkten überlegen. „Aufgrund des neuen Herstellungsverfahrens können wir aber ihre Geometrie und ihren Aufbau gezielter variieren. Damit lassen sich ihre Eigenschaften im Vergleich zu bisher bekannten Strukturen besser kontrollieren“, erläutert der Physiker Matthias Karl. Viel versprechend sei zudem die Möglichkeit, Pyramiden in Gruppen zusammenzuschließen und somit gekoppelte Strukturen zu schaffen, die im Hinblick auf Quanten-Informationsverarbeitung besonders interessant sind.

(idw – Universität Karlsruhe (TH), 14.08.2007 – DLO)

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