Grundlagenforschung für Quantenkommunikation Kamera nimmt Licht beim Erlöschen auf

Eine Möglichkeit, die Effizienz von Quantentechnologie zu verbessern, ist es, Bauteile zu verkleinern. Daher hat die Forschung an sogenannten Leuchtzentren in Halbleitern für Quantentechnologien an Bedeutung gewonnen. Solche Systeme können sowohl als kleinste Rechen- und Informationseinheit eines Quantencomputers (Qubit) genutzt werden als auch als Einzelphotonenquelle. Bestehen diese Systeme aus Nanostrukturen, ist eine Kopplung zu optischen Schaltkreisen auf einem Chip denkbar, um damit auch Quantenkommunikation auf kleinstem Maßstab zu realisieren.

Ein winziges lichtleitendes System aus Halbleiternanodrähten, das auch in der Quantenkommunikation eingesetzt werden könnte, haben Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena jetzt mit einem Ionenbeschleuniger modifiziert. Die Drähte wurden so verändert, dass sie Fremdatome als Leuchtzentren enthalten. In Grenoble, Frankreich, konnte nun erstmals gemessen werden, wie das Schimmern von nur 10.000 Leuchtzentren abklingt, nachdem die Nanodrähte mit einem Röntgenpuls angeregt worden sind.

Neuer Zerfallsmechanismus mit schnellerer Abklingzeit

Bei den Messungen an der Uni Jena sind die Wissenschaftler auf einen neuen Zerfallsmechanismus mit einer schnelleren Abklingzeit gestoßen. „Wir haben der optischen Lumineszenzdetektion eine weitere Dimension hinzugefügt: die Zeit“, sagt Christian Plass, Doktorand an der Universität Jena und Erstautor der Veröffentlichung. Im Wesentlichen regen die Forschenden das System mit einem Puls des neuen ESRF-Hochleistungs-Synchrotrons an. Das Material sendet dann Licht aus und sie können verfolgen, wie es mit der Zeit abklingt und welche Farbe es zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, indem sie die durch Nanoröntgenstrahlen angeregte optische Lumineszenz nutzen.

Möglich wurden die Ergebnisse aufgrund der Kombination des intensiven Synchrotronstrahls des ESRF, des Einsatzes des Strahlrohrs ID16B und der neuen sogenannten Streak-Kamera, die das Team der Friedrich-Schiller-Universität dort im Jahr 2021 installiert hat. Die Kamera, deren Implementierung vom Bundesforschungsministerium finanziert wurde, ergänzt den bestehenden Aufbau der optischen Lumineszenzdetektion.

„Der Erfolg dieses Projekts ist der äußerst reibungslosen Zusammenarbeit zwischen den Teams zu verdanken, und zwar nicht nur zwischen den Wissenschaftlern, sondern auch zwischen den Softwareentwicklern bei der ESRF“, sagt der leitende Jenaer Forscher und Co-Autor Prof. Dr. Carsten Ronning. Denn damit die Kamera überhaupt in diesem Versuchsaufbau funktionierte, musste eine äußerst komplexe Software entwickelt werden. Die Ergebnisse dieser ersten Studie seien zwar zunächst vor allem von grundlegender Bedeutung, ergänzt Ronning, könnten aber zu weiteren Studien über künftige Anwendungen in der Quantenkommunikation führen – „zum Beispiel über die Verwendung von Nanodrähten als Wellenleiter für Licht, wie dies heute bei Glasfasern der Fall ist“.