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Ultraschnelle künstliche Atomlichtquelle

28.04.2016

Wissenschaftler des Niels-Bohr-Instituts (Kopenhagen) haben eine neue ultraschnelle Lichtquelle entwickelt. Es basiert auf einem künstlichen Atom sowie Quantentechnologien. Die Forscher arbeiteten mit Quantenpunkten, einer Art künstlichem Atom. Auf deren Basis soll es übrigens Chips für Quantencomputer bauen.

Herkömmliche Lichtquellen arbeiten, indem sie Energie ernten: Sie sammeln zum Beispiel elektrische Energie und wandeln sie in Licht um. Gleichzeitig geht aber ein erheblicher Teil der Energie durch die Wärmefreisetzung verloren. Ultraschnelle Lichtquellen sind Laser, Leuchtdioden sowie Geräte, die auf dem Licht einzelner Photonen basieren und mit Quantentechnologien hergestellt werden. Die Idee zu letzterem wurde 1954 geäußert, konnte aber erst heute umgesetzt werden.

In einem Quantenpunkt kann ein Elektron zum Beispiel durch Licht oder einen Laser angeregt werden. In diesem Fall verlässt das Elektron seinen Platz und hinterlässt ein Loch. Je stärker die Bindung zwischen Licht und Materie ist, desto schneller kehrt das Elektron zum Loch zurück und desto schneller wird das Licht emittiert. In der Natur ist die Verbindung zwischen Licht und Materie jedoch schwach, sodass sich die ersten Lichtquellen, die mit dieser Technologie hergestellt wurden, als zu langsam herausstellten. Der Physiker Robert Dicke sagte 1954 voraus, dass die Bindung gestärkt werden könnte, indem die Anzahl künstlicher Atome erhöht wird, die den bestehenden Zustand in einer Quantenüberlagerung "teilen".

Dies war unmöglich nachzuweisen, da die Wissenschaftler die Atome nicht so dicht aneinander anordnen konnten, dass ein Quanteneffekt eintritt, und gleichzeitig sicherstellen konnten, dass sie nicht kollidierten. Forscher des Niels-Bohr-Instituts haben sich einen anderen Weg ausgedacht – sie haben sich Superstrahlung auf der Grundlage von Photonen vorgestellt, die von einem einzelnen Quantenpunkt emittiert werden.

Die Autoren der Idee stellen fest, dass sich in ihrem Experiment ein Quantenpunkt wie fünf verhält, was bedeutet, dass die Lichterzeugung fünfmal schneller erfolgt. Außerdem macht diese Lösung Quantenpunkte stabiler und widerstandsfähiger – zum Beispiel gegenüber akustischen Wellen.

Bisher finden die Experimente bei einer Temperatur statt, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. In Zukunft wollen Wissenschaftler dieses Problem lösen, aber sie werden auch versuchen, die Temperatur zu senken, um festzustellen, wie sich Quantenpunkte unter solchen Bedingungen verhalten.

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