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Quantenoptik: Eine Richtantenne für Quantenpunkte

Quantenpunkt-Teaser
Quantenpunkte, nanoskalige Cluster aus Halbleitermaterialien, sind das Schlüsselelement quantenoptischer Anwendungen – wie ein einzelnes Atom senden sie bei Anregung kontrolliert Photonen spezifischer Wellenlänge aus. Zusätzlich lassen sich ihre Eigenschaften durch Veränderung von Material und Größe sehr genau steuern, so dass diese Bauteile zum Beispiel Quantenbits für alle Arten photonischer Quantencomputer erzeugen können.

Allerdings haben diese Strukturen das Problem, dass sie isotrop strahlen – die ausgesendeten Photonen gehen mit gleicher Wahrscheinlichkeit in jede Richtung statt gezielt zum Empfänger, so dass entweder ein Teil der Signale verloren geht oder die Empfänger recht groß werden müssen, um das Licht sicher zu detektieren. Eine elegante Möglichkeit, Quantenpunkte nur in eine Richtung leuchten zu lassen, stellen jetzt spanische Forscher vor. Das Team um Niek van Hulst vom Institut de Ciencies Fotoniques in Barcelona hat die leuchtenden Nanoteilchen mit einer Richtantenne aus Gold gekoppelt.

Nano-Richtantenne | Elektronenmikroskopische Aufnahme der Gold-Antenne. Die gesamte Struktur ist nur etwa eine Wellenlänge lang. Der zweite Balken von links ist der Dipol mit Quantenpunkt, links davon ein Reflektor und rechts drei Richtelemente
Die Goldstruktur besteht aus fünf lithografisch erzeugten Balken, die zusammen eine Yagi-Uda-Antenne ergeben. Dieser klassische Antennentyp, der auch bei Fernsehern, im Amateurfunk oder bei der Satellitenkommunikation zum Einsatz kommt, besteht aus einer Dipolantenne, die bei Anregung elektromagnetische Wellen aussendet, sowie mehreren passiven Elementen, die den Sender verstärken und die Richtwirkung erzeugen. Die Strahlung des Dipols induziert Ströme in den Verstärkungselementen, die wiederum zum ursprünglichen Dipolfeld phasenverschobene Felder erzeugen. In Senderichtung verstärken sich die Felder gegenseitig, während sie sich senkrecht dazu auslöschen, wodurch die Richtungspräferenz zu Stande kommt.

Dank ihrer einfachen Struktur lässt sich eine Yagi-Uda-Antenne nahezu beliebig verkleinern; diese Besonderheit haben sich van Hulst und Kollegen jetzt zu Nutze gemacht, um einen Quantenpunkt für die optische Signalübertragung fit zu machen. Am Computer berechneten sie, welche Konfiguration aus fünf länglichen Goldclustern – einer Dipolantenne und vier passiven Elementen – das Licht ihrer Quantenpunkte optimal verstärkt.

Der Quantenpunkt sitzt dabei an einem Ende des aktiven Dipols, so dass er stark an diesen Resonator gekoppelt ist. Tatsächlich zeigten die Forscher, dass ein solcher Aufbau als Richtantenne für das vom Quantenpunkt ausgesandte Licht wirkt – die Konstruktion emittiert eine schmale Lichtkeule ausschließlich in Richtung der Richtelemente. Dagegen verschwindet die Richtwirkung, wenn die Quantenpunkte einfach auf einer Goldunterlage sitzen.

Dass es sich tatsächlich um den gleichen Effekt handelt, der auch in einer gängigen Fernsehantenne auftritt, zeigten die Forscher anhand anderer, für Yagi-Uda-Antennen typischer Eigenschaften. Zum einen erzeugt die Konstruktion ausschließlich parallel zur Antennenachse linear polarisiertes Licht, zum anderen ist die Antenne frequenzspezifisch: Die Richtwirkung taucht nur bei ganz bestimmten, auf die Frequenz abgestimmten Kombinationen von Länge und Abständen der beteiligten Elemente auf – ganz wie bei einer großen Antenne. (lf)

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  • Quellen
van Hulst, N. et al.: Unidirectional Emission of a Quantum Dot Coupled to a Nanoantenna. In: Science 329, S. 930 – 933, 2010.

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