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"Die Realisierung dieses Effekts", so der Marburger
Physiker Professor Dr. Stephan W. Koch, "ist ein Ausdruck der starken
Kopplung zwischen einzelnen Lichtteilchen und dem Halbleiter. Er ist
eine der Voraussetzungen für genaue Untersuchungen, wie sich
Lichtteilchen in jenen Halbleiterstrukturen verhalten, die als Basis
künftiger Quantencomputer dienen können." Diese Forschungsarbeit ist
sehr zukunftsträchtig: Theoretische Konzepte sagen voraus, dass die
Leistungsfähigkeit von Quantencomputern diejenige herkömmlicher
Rechnersysteme um mehrere Größenordnungen übertreffen wird.
Nun haben Stephan W. Koch und Mackillo Kira,
Professoren für Theoretische Halbleiterphysik an der
Philipps-Universität Marburg, gemeinsam mit ihren experimentell
arbeitenden Kollaborationspartnern an der US-amerikanischen University
of Arizona in Tucson, Professorin Dr. Galina Khitrova und
Humboldt-Forschungspreisträger Professor Dr. Hyatt Gibbs, auf
Einladung des Fachjournals "Nature Physics" einen Übersichtsartikel
über die aktuellen Entwicklungen in der weltweiten Forschung verfasst.
Unter dem Titel "Vacuum Rabi splitting in semiconductors" (Vakuum-Rabi-Aufspaltung
in Halbleitern) erschien er in dessen Februar-Ausgabe (Khitrova, Gibbs,
Kira, Koch & Scherer, Nature Physics, Vol. 2, No. 2, Seiten 81 - 90
(2006) - Link: siehe unten).
"Der Schlüsselbegriff für unsere Arbeit ist die
'starke Licht-Materie-Kopplung'", erklärt Juniorprofessor Kira. Dieses
Phänomen, das sich besonders gut in Halbleiter-Nanostrukturen (so
genannten Quantenpunkten) beobachten lässt, führt zu Effekten wie der
Verschränkung von Lichtteilchen (dabei sind die Eigenschaften von
Teilchen, auch wenn sich diese an ganz verschiedenen Orten aufhalten,
untrennbar miteinander verbunden) oder der Superposition (dabei
befindet sich, kaum vorstellbar, ein Teilchen zur selben Zeit in
mehreren, unterschiedlichen Zuständen) und erlaubt auch, dass einzelne
Lichtteilchen (statt eines ganzen Lichtstrahls) kontrolliert
freigesetzt werden können. Effekte wie diese sind grundlegend für die
Entwicklung von auf Quantenbasis arbeitenden Computern.
Die materielle Basis für entsprechende Experimente
sind die Quantenpunkte: winzige Strukturen von bis zu 10.000 Atomen.
Die darin befindlichen Elektronen tragen nur ganz bestimmte,
"diskrete" Energiemengen. (Normalerweise nimmt ihre Energie
kontinuierliche Werte an.) Quantenpunkte wiederum lassen sich in kaum
größere optische Resonatoren einbetten. Solche Resonatoren bestehen
aus periodischen Anordnungen zum Beispiel von Löchern in
Halbleiterschichten, so genannten photonischen Kristallen, oder aus
periodischen Anordnungen verschiedener Halbleitermaterialien,
sogenannter Bragg-Reflektoren. Wichtig ist hierbei, dass die
Periodizitätslänge gerade die Hälfte der Wellenlänge des verwendeten
Lichtes ist. In solche Resonatoren lassen sich nun die Lichtteilchen
"einsperren", die ähnlich wie die Elektronen nur über diskrete
Energien verfügen. Die in diesem System beobachtbare Wechselwirkung
zwischen Elektronen und Lichtteilchen ist es schließlich, die die
Physiker untersuchen.
Systeme aus Quantenpunkten und Resonatoren in
Halbleiterstrukturen könnten nun den Weg weisen, um eines der bislang
größten Probleme auf dem Weg zur Herstellung zu Quantencomputern zu
überwinden, nämlich die Dekohärenz. Dieser Begriff beschreibt das
Phänomen, dass der definierte Zustand von Lichtteilchen und Elektronen
durch deren Kontakt mit der Umgebung gestört wird, also nicht mehr
kontrolliert werden kann.
"In der Arbeitsgruppe Theoretische
Halbleiterphysik", erklärt Koch, "arbeiten wir seit Jahren daran,
bisherige Verfahren zur Herstellung und Untersuchung solcher Systeme
zu verbessern, unter anderem, indem wir die Halbleiterstrukturen
optimieren." In dem aktuellen Übersichtsartikel in Nature Physics
diskutieren er und seine Kollegen nun die bisherigen Fortschritte auf
dem Weg zur starken Licht-Materie-Kopplung in Halbleitermaterialien
und die experimentelle Beobachtung der Vakuum-Rabi-Aufspaltung und
schlagen verschiedene Testverfahren vor, mittels derer die
quantenoptische Licht-Materie-Kopplung experimentell überprüft werden
kann. Schließlich geben die Physiker aus Marburg und den USA auch
einen Ausblick auf die möglichen Anwendungen im Rahmen der
Quanteninformationstechnologie und der Herstellung von
Quantencomputern. |
