Photonen im Takt

News: Photonen im Takt

Photonen werden in vielen Forschungsgebieten verwendet, aber sie haben einen Nachteil: Sie kommen zufällig. Französische Forscher haben eine Methode gefunden, mit der sie bestimmen können, wann die Lichtquanten freigesetzt werden. Sie legen ein oszillierendes elektrisches Feld an, das den Zeitpunkt der Anregung eines Farbstoffs eingrenzt. Bisher hapert es zwar noch ein wenig mit der Pünktlichkeit, doch mit einer Weiterentwicklung des Systems werden Wissenschaftler in Zukunft wohl bestimmen können, wann einzelne Photonen in ihrer Versuchsapparatur aufleuchten.

Selbst die anspruchvollsten Experimente in der Quanten-Kryptographie und der Computertechnologie, welche die Eigenschaften einzelner Photonen nutzen, müssen mit Quellen arbeiten, die Photonen zufällig freisetzen. Ein Zähler vor der Apparatur würde zeigen, daß die Lichtteilchen zeitlich unvorherbestimmmt am Ziel auftreffen, obwohl die Gesamtzahl der Photonen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls genau bekannt wäre. Nicht mal ein gepulster Laser ist in der Lage, Photonen nach Zeitplan zu generieren.

Michel Orrit vom Centre National de Recherche Scientifique in Talence und seine Kollegen stellten am 4. Oktober 1999 in den Physical Review Letters eine Apparatur vor, mit der sie die Emission von Photonen zeitlich steuern können. Farbstoffe emittieren Photonen, wenn sie nach der Anregung mit einem Lichtstrahl passender Energie aus dem angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehren. Aus früheren Untersuchungen wußten die Wissenschaftler, daß sie in einer verdünnten und auf vier Kelvin abgekühlten Farbstofflösung mit einem gut fokussierten Laser einzelne Moleküle treffen können. In den neueren Experimenten legten sie zusätzlich ein variables elektrisches Feld an, mit dem sie die zur Anregung nötige Frequenz etwas beeinflussen konnten. Die Wissenschaftler bestrahlten die Probe kontinuierlich mit einem Anregungsstrahl, ließen aber das elektrische Feld mit einer Frequenz von drei Megahertz oszillieren. So wurde das Farbstoffmolekül je zweimal pro Zyklus angeregt – immer dann, wenn die Energie des Laserstrahls gerade mit energetischen Unterschied zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand übereinstimmte. Pünktlich sollte dieses System damit bei jeder Anregung Photonen aussenden.

Um die Photonen aufzufangen, war die winzige Probe von kleinen Parabolreflektoren umgeben. Das Forschungsteam konnte nicht jedes Photon erfassen, es maß daher die Zeitgenauigkeit, indem sie die Zeitverteilung der Emission überprüften – die meisten Photonen erreichten den Detektor danach innerhalb weniger Nanosekunden. Außerdem wiesen die Wissenschaftler mit einem Strahlungsteiler und zwei Photonendetektoren nach, daß in 74 Prozent der Zeit auch wirklich nur ein einziges Photon emittiert wurde.

Oritt vermutet, daß durch eine Verbesserung der Apparatur eine 95prozentige Effizienz erreicht werden könnte. Das wird besonders Quanten-Kryptographen freuen, die auf die "Einzellieferung" von Photonen in ihrer Forschung angewiesen sind.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 23.3.1998
"Auf dem Weg zum Quantencomputer"
Spektrum Ticker vom 9.10.1998
"Geheim um den Globus"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)

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